電子陶瓷的發(fā)展趨勢及應(yīng)用

電子陶瓷按功能和用途可以分為：絕緣裝置瓷、電容器瓷、鐵電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷和快離子陶瓷[2]。
1.1 絕緣裝置瓷
絕緣裝置瓷，具有優(yōu)良的電絕緣性能，用于電子設(shè)備和器件中的結(jié)構(gòu)件、基片和外殼等的電子陶瓷。絕緣裝置瓷件包括各種絕緣子、線圈骨架、電子管座、波段開關(guān)、電容器支柱支架、集成電路基片和封裝外殼等[3]。
1.2 電容器陶瓷
電容器陶瓷是指用作電容器介質(zhì)的電子陶瓷，這類陶瓷用量最大、規(guī)格品種也最多，主要有高頻、低頻電容器瓷和半導(dǎo)體電容器瓷。高頻電容器瓷屬于Ⅰ類電容器瓷，主要用于制造高頻電路中的高穩(wěn)定性陶瓷電容器和溫度補償電容器。構(gòu)成這類陶瓷的主要成分大多是堿土金屬或稀土金屬的鈦酸鹽和以鈦酸鹽為基的固溶體[4]。
1.3 鐵電/壓電陶瓷
鐵電陶瓷是以鐵電性晶體為主晶相的電子陶瓷，已發(fā)現(xiàn)的鐵電晶體不下千種，但作為鐵電陶瓷主晶相的主要有鈣鈦礦或準(zhǔn)鈣鈦礦型的鐵電晶體或固溶體。在一定的溫度范圍內(nèi)晶體中存在著可隨外加電場而轉(zhuǎn)變方向的自發(fā)極化，這就是晶體的鐵電性。鐵電陶瓷功能多、用途廣，利用其壓電特性可以制成壓電器件，這是鐵電陶瓷的主要應(yīng)用，因而常把鐵電陶瓷稱為壓電陶瓷[2]。
壓電陶瓷在功能陶瓷范圍中占有極其重要地位，常用的壓電元件：傳感器、驅(qū)動器、報警器、音響設(shè)備、醫(yī)療診斷設(shè)備等。壓電陶瓷作為敏感材料時可制作壓電地震儀，從而有效預(yù)測地震，減少損失；利用壓電效應(yīng)制作的壓電驅(qū)動器是微電子、精密機械和生物工程等領(lǐng)域的重要器件。當(dāng)壓電陶瓷用作超聲波發(fā)射器時，可用于海洋探測、水中導(dǎo)航、超聲清洗、醫(yī)學(xué)成像以及固體探傷、超聲疾病治療等方面。利用壓電陶瓷蜂鳴器、超聲顯微鏡、壓電換能器、壓電點火器等可用來作遙測和遙控系統(tǒng)。此外，壓電陶瓷還在精密儀器、自動控制航天航空、辦公自動化、微型機械系統(tǒng)、精密定位等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。
1.4 半導(dǎo)體陶瓷
半導(dǎo)體陶瓷是指采用陶瓷工藝成型的多晶陶瓷材料，它與單晶半導(dǎo)體不同，存在大量晶界，晶粒的半導(dǎo)體化也是在燒成工藝過程中完成的。半導(dǎo)體陶瓷品種繁多，比如熱敏、濕敏、氣敏、壓敏及光敏電阻器等[2]。半導(dǎo)體陶瓷除了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等由一種化合物構(gòu)成的單相陶瓷以外，還有由兩種或兩種以上的化合物構(gòu)成的復(fù)合陶瓷。
熱敏電阻元件被廣泛應(yīng)用于工業(yè)電子設(shè)備及家用電器產(chǎn)品中，其中正溫度系數(shù)熱敏電阻材料(PTC)陶瓷應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。PTC熱敏陶瓷材料目前主要是鈦酸鋇，利用其特性可以作為自控型發(fā)熱元件，還可用做對特定溫度敏感的元件，以及延時開關(guān)、過流保護、測溫等方面的元件；濕敏陶瓷由金屬氧化物組成，如SnO2、ZrO2基等，濕度傳感器在電子、食品、紡織工業(yè)及各種空調(diào)設(shè)備、集成電路內(nèi)非破壞性濕度檢測等場合應(yīng)用十分廣泛；壓敏陶瓷是一類應(yīng)用極為廣泛的敏感材料，主要應(yīng)用在主要在超導(dǎo)移能、高壓穩(wěn)壓，無間隙避雷器等方面[1]。
1.5 快離子陶瓷
快離子陶瓷即快離子導(dǎo)電的電子陶瓷，具有快速傳遞正離子的特性，其典型代表是β-Al2O3，它具有很多不同于電子導(dǎo)體的用途[3]。例如在固體電子器件及各種電池的隔膜材料中的應(yīng)用，其中已實用化的有常溫一次電池、燃料電池、蓄電池、庫侖計、氣敏傳感器、可變電阻器、電積分器，雙層電容器等。

02
電子陶瓷材料及其元器件
2.1 高壓陶瓷
超、特高壓交直流用棒形支柱絕緣子和瓷套（空心絕緣子）是超、特高壓交直流電網(wǎng)輸變電用的關(guān)鍵元件[5]。國外棒瓷生產(chǎn)企業(yè)主要有日本特殊陶業(yè)株式會社(NGK)和美國拉普公司，瓷套生產(chǎn)企業(yè)主要是NGK和美國PPC公司。國內(nèi)棒瓷生產(chǎn)企業(yè)有唐山電瓷、撫順高科、西安電瓷研究所、中瓷高新等，瓷套生產(chǎn)企業(yè)有華鑫電瓷、撫順高科和西安電瓷等。
2.2 光纖陶瓷插芯
光纖陶瓷插芯是光纖連接器的核心部件，廣泛應(yīng)用于通信、局域網(wǎng)、光纖到戶、高質(zhì)量視頻傳輸、光纖傳感、測試儀器儀表等[5]。全球主要光纖陶瓷插芯生產(chǎn)企業(yè)有中三環(huán)集團、深圳太辰光通信、京瓷、日本Adamant，韓國大源以及中國臺灣富士康等。
2.3 燃料電池隔膜板
燃料電池隔膜板是固體氧化物燃料電池的核心部件，其主要作用是在陰極與陽極之間傳遞氧離子和對燃料及氧化劑進行有效隔離[5]。其代表企業(yè)是美國Bloom和中國的三環(huán)集團。
2.4 MLCC電容器
片式多層陶瓷電容器(MLCC)是由印好電極（內(nèi)電極）的陶瓷介質(zhì)膜片以錯位的方式疊合起來，經(jīng)過一次性高溫?zé)Y(jié)形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極），從而形成一個類似獨石的結(jié)構(gòu)體，故也叫獨石電容器。MLCC是電容器市場中最為主流的產(chǎn)品，是全球市場占有率最高的電容器產(chǎn)品。目前全球主要的MLCC生產(chǎn)國包括日本、韓國、美國和中國。日本的主要生產(chǎn)企業(yè)有村田、京瓷、太陽誘電以及電氣化學(xué)TDK等。國內(nèi)MLCC陶瓷電容器生產(chǎn)企業(yè)主要是風(fēng)華高科、三環(huán)集團、深圳宇陽科技等。
2.5 微波介質(zhì)陶瓷
微波介質(zhì)陶瓷，是指應(yīng)用于微波頻段電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷材料。微波介質(zhì)陶瓷作為一種新型電子材料，具有高介電常數(shù)、低介電損耗、溫度系數(shù)小等優(yōu)良性能，在現(xiàn)代通信中被用作諧振器、濾波器、介質(zhì)基片、介質(zhì)天線、介質(zhì)導(dǎo)波回路等，廣泛應(yīng)用于微波技術(shù)的許多領(lǐng)域，如移動電話、汽車電話、無繩電話、電視衛(wèi)星接收器、衛(wèi)星廣播、雷達、無線電遙控[6]。微波陶瓷材料和器件的主要生產(chǎn)企業(yè)有日本村田公司、德國EPCOS公司、美Trans-Tech公司等[5]。
03
電子陶瓷的產(chǎn)業(yè)概況
近年來，我國電子陶瓷市場規(guī)模穩(wěn)定增長，2015年我國電子陶瓷行業(yè)市場規(guī)模約397億元，2019年市場規(guī)模約為641億元。全球電子陶瓷市場主要參與者包括村田、京瓷、德山化工、住友化學(xué)、Sakai化學(xué)、Ferro、NCI、富士鈦、共立、東邦、TDK、Coorstek、羅杰斯、CeramTec等。從市場格局來看，電子陶瓷一些核心技術(shù)掌握在歐美、日韓廠商中，其中，日本在電子陶瓷材料領(lǐng)域中一直以門類最多、產(chǎn)量最大、應(yīng)用領(lǐng)域最廣、綜合性能最優(yōu)著稱，占據(jù)了世界電子陶瓷市場50％的份額。美國電子陶瓷約占全球市場份額的30%，雖然美國先進陶瓷技術(shù)居全球前位，但是其產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程慢于日本。歐洲電子陶瓷約占全球份額的10%。
在先進陶瓷工藝中，粉體制備是最核心的技術(shù)之一。高純、超細(xì)、高性能陶瓷粉體制造技術(shù)是制約我國先進電子陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。全球約65%的電子陶瓷粉被日本企業(yè)壟斷，日本Sakai是全球最大的電子陶瓷粉體材料生產(chǎn)商，全球市場份額約28%，其次是美國Ferro及日本化學(xué)NCI，分別占比約28%、14%。
國瓷材料、日本FujiTi、日本共立、日本東邦分別占10%，9%，8%和6%左右。
04
電子陶瓷的應(yīng)用前景
4.1 3C電子領(lǐng)域
近年來，集計算機、通信、消費類電子于一體的數(shù)字3C產(chǎn)品得到了快速的發(fā)展。3C產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，極大的推動著電子基礎(chǔ)產(chǎn)品和元器件的同步協(xié)調(diào)發(fā)展，也對電子元器件的基礎(chǔ)材料——信息功能陶瓷提供了良好的發(fā)展機遇。
在3C電子領(lǐng)域，電子陶瓷主要應(yīng)用于手機及智能手表的穿戴?，F(xiàn)今，我國已經(jīng)進入5G全面建設(shè)階段，5G手機將迅速普及，預(yù)計2019-2023年全球5G手機滲透率由0.9%增長至51.4%；同時，智能穿戴市場興起，預(yù)計2020-2022年中國可穿戴設(shè)備出貨量由8847萬臺增長至11380萬臺，市場規(guī)模由473億元增長至607億元。
4.2 5G基站領(lǐng)域
陶瓷插芯的主要應(yīng)用領(lǐng)域為光纖連接器（72%）、其他光無源器件（25%）、光有源器件（3%）。與其他光纖插芯材質(zhì)如氧化鋁、玻璃、模塑等相比，光纖陶瓷插芯與石英光纖熱匹配性更好，理化性能更穩(wěn)定，因此成為主流材質(zhì)。光纖陶瓷插芯主要應(yīng)用領(lǐng)域包括基站建設(shè)、光纖到戶、IDC搭建等。
微波介質(zhì)陶瓷濾波器具有高Q值，低插損，高介電，小尺寸、輕量化和低成本的優(yōu)勢，有望成為5G基站主流解決方案。隨著5G商用的推進，5G基站建設(shè)也將迎來建設(shè)高峰，據(jù)預(yù)測，5G基站數(shù)目將是4G基站的1.5倍，這一領(lǐng)域的需求將迅速帶動光纖陶瓷插芯、陶瓷介質(zhì)濾波器的市場增長。

5G陶瓷介質(zhì)濾波器

電子陶瓷的發(fā)展趨勢
5.1 器件微型化
隨著移動通信和衛(wèi)星通信的迅速發(fā)展，對器件小型化、微型化的要求越來越迫切，而電子元器件特別是大量使用的以電子陶瓷材料為基礎(chǔ)的各類無源元器件，是實現(xiàn)整機小型化、微型化的主要瓶頸[7]。目前元器件研究開發(fā)的一個重要目標(biāo)是微型化、小型化，其市場需求也非常大；片式化功能陶瓷元器件占據(jù)了當(dāng)前電子陶瓷無元器件的主要市場；比如片式電感類器件、片式壓敏電阻、片式多層熱敏電阻、多層壓電陶瓷變壓器等。
5.2 技術(shù)集成化
多種技術(shù)的集成化是電子陶瓷材料制備技術(shù)的新發(fā)展趨勢，比如納米陶瓷制備技術(shù)及納米級陶瓷原料、快速成形及燒結(jié)技術(shù)、濕化學(xué)合成技術(shù)等都為開發(fā)高性能電子陶瓷材料打下了基礎(chǔ)。隨著多功能化、高集成化、全數(shù)字化和低成本方向發(fā)展，很大程度上推動了電子元器件的小型化、功能集成化、片式化和低成本及器件組合化的發(fā)展進程[2]。
5.3 功能復(fù)合化
在激烈的信息市場的競爭中，單一性能的電子陶瓷器件逐漸失去了競爭力，利用陶瓷、半導(dǎo)體及金屬結(jié)合起來的復(fù)合電子陶瓷是開發(fā)各種電子元器件的基礎(chǔ)，它是發(fā)展智能材料和機敏材料的有效途徑，同時也為器件與材料的一體化提供重要的技術(shù)支持[1]。
5.4 產(chǎn)品高頻化
移動通信和遠(yuǎn)距離通信技術(shù)的快速發(fā)展，對微波陶瓷介質(zhì)材料及其微波諧振器，微波濾波器、微波電容器等提出了廣闊的市場需求，高頻化是數(shù)字3C產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢[7]。
5.5 環(huán)保無害化
近年來，隨著人類社會的可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護的需求，發(fā)達國家致力研發(fā)的熱點材料之一就是新型環(huán)境友好的電子陶瓷[1]。例如，壓電陶瓷均含有大量的鉛，制造過程會導(dǎo)致環(huán)境污染，為了減少污染，國內(nèi)外科研人員開展了無鉛系壓電陶瓷的研究。