电子陶瓷发展前景

1、电子陶瓷的发展前景2010-6-6 13:02:25电子陶瓷在小型化和便携式电子产品中占有十分重要的地位，世界各国元器件生产企业都在电子陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新设备方面投入巨资进行研究开发。高投入的研发使得电子陶瓷及元器件成为一个创新活跃、竞争激烈的领域，每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件问世。近些年来，在国家诸多重点科研计划的支持和推动下，我国在电子陶瓷材料的科学研究与产业化方面有了很大发展，但总体来看，我国的电子信息产业，特别是一些附加价值高、技术含量高的新型电子信息产品和一些基础电子产品的生产水平与发达国家相比仍存在很大差距，不少高端产品在相当大的程度上被外资

2、企业所控制。国外大公司如村田、松下、京都陶瓷、摩托罗拉等近年来长驱直入中国市场，目前已占据了国内片式元器件特别是高档片式元器件市场相当大的份额。我国信息产业正面临着产品升级换代的机遇和挑战。近年来，随着电子信息技术的高速发展，以信息技术为应用领域的功能陶瓷成为新材料研究中十分活跃的领域。而其应用领域正在从传统的消费类电子产品转向数字化的信息产品，包括通信设备、计算机和数字化音视频设备等。数字技术对陶瓷元器件 提出了一系列特殊的要求。为了满足这些要求，世界各国的大学、研究机构和企业都在新材料、新工 艺、新产品方面投入巨资进行研究开发。新型电子陶瓷元器件及相关材料的发展趋势和方向主要体现在以下几个

3、方面：1 .小型化与微型化随着移动通信和卫星通信的迅速发展，对器件小型化、微型化的要求越来越迫切，而电子元器件特别是大量使用的以电子陶瓷材料为基础的各类无源元器件，是实现整机小型化、微型化的主要瓶颈。因此，小型化、微型化是目前元器件研究开发的一个重要目标，市场需求也非常旺盛。以片式电容器为例，2004年多层陶瓷电容器的全球市场已达 8000亿只，并且以每年的速度递增，表现出强劲的增长态势。从技术方面看，正向着微型化、介质薄层化、大容量、高可靠和电极贱金属化低成本的方向发展。片式元件的尺寸已由 1206和0805为主，发展为0603和0402,并进而向0201和01005发展；介质单层厚度由原来

4、的10微米以上减小到5微米、3微米，甚至到1微米；介质层数也由几十层发展到几百层。同样，其他功能陶瓷元器件也正向着片式化和微型化方向发展，如多层压电陶瓷变 压器、片式电感类器件、片式压敏电阻、片式多层热敏电阻等。这些片式化功能陶瓷元器件占据了当前电子陶瓷无源元器件的主要市场。从材料角度而言，实现小型化、微型化的基础在于提高陶瓷材料 的性能和发展陶瓷纳米晶技术和相关工艺，因此，发展高性能功能陶瓷材料及其先进制备技术是功能陶瓷的重要研究课题。2 .高频化与频率系列化高频化是数字3c产品发展的必然趋势。以移动通信为例，以模拟信号为主要特征的第一代移动通信所用的频段在800MHz-900MHz之间，以

5、数字信号为主要特征的第二代移动通信所用的频段则在900MHz和1.8GHz左右，目前正在研究的第三代移动通信系统的频率则在2GHz左右。对各类电子元器件中的陶瓷材料来说，如何适应高的工作频率是一个严峻挑战。因此，寻找具有良好高频特性以及系列化工作频率的功能陶瓷材料，是目前新型电子元器件领域的研究热点，微波介质陶瓷材料及新型微波器件是其中重要的研究课题。微波介质陶瓷指适合于微波应用的低损耗、温度稳定的电介质陶瓷材料，广泛应用于微波谐振器、滤波器、移相器、微波电容器以及微波基板等，是 移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统 （GPS）、蓝牙技术以及无线局域网（WLAN）等现代微波通信 技术的关键材料

6、。自上世纪 80年代初微波介质谐振器的实用化实现突破以来，已研究开发出了多种 实用化微波介质陶瓷材料，从而大大促进了现代通信技术的发展与普及。寻求高介电常数、高品质因 数、低频率温度系数仍然是当前微波介质陶瓷材料研究的重点。为适应通信终端设备小型化和便携化的发展需求，发展新型片式化微波器件，如片式滤波器、片式谐振器、片式天线等，已引起业界的广 泛关注。3 .集成化与模块化当前，手机和笔记本电脑进一步向便捷化、多功能化、全数字化和高集成化及低成本方向发展，极大地推动了电子元器件的片式化、小型化和低成本及器件组合化、功能集成化的发展进程。以手机为例，目前每个手机中约有 250个-300个无源电子元

7、件，因此无源电子元件的小型化对 手机产品的轻便化起决定性作用，这一需求极大地推动了无源电子陶瓷片式元件的小型化、集成化进程。为减小整机的尺寸，采用多元复合、集成化无源元件，提高安装密度，将是一种最有效的途径。因此，多层复合功能陶瓷及元器件正由分离式元件向复合化多元组件发展，并最终向无源器件的集成化趋势发展。集成化功能陶瓷元器件是以低温共烧陶瓷 (LTCC)为平台，采用多层陶瓷技术将电容、电感和电 阻材料嵌入集成在低温共烧陶瓷基板中，形成无源集成陶瓷器件。目前，基于LTCC技术的功能陶瓷集成器件已开始应用于移动通信终端设备中，如片式多层LC滤波器、片式微带滤波器、多层天线等已开始在手机中获得应用

8、，而一些功能集成模块如收发前端模 块、功率模块和蓝牙模块等也已开发成功，并将在 3G手机中得到推广应用。LTCC的多功能模块的巨大市场前景，使其成为众多企业竞争的焦点，很多国际著名的无源电子 元器件的生产企业纷纷进入这一领域， 如日本的村田、TDK、太阳诱电，美国的Johanson Technology 公司等。目前多家公司都宣称已开发成功包括LTCC微带滤波器、多层天线、复用器、不平衡变压器以及射频前端开关模块、功放模块和蓝牙模块等在内的集成化无源元件和模块。这些器件应用领域广泛，包括各种制式的手机、蓝牙模块、GPS、数码相机、WLAN、汽车电子等，其中，手机的用量占据主要部分，约占80%以

9、上。国内在该领域还处于起步阶段，尚未形成产业规模。从技术角度而言，实现陶瓷集成的关键在于 发展性能优异的低温共烧陶瓷材料以及先进的异质材料共烧技术，这已成为当前信息功能陶瓷领域重要的研究方向。4 .无铅化与环境协调性近年来，随着环境保护和人类社会可持续发展的需求，研发新型环境友好的铁电压电陶瓷已成为发达国家致力研发的热点材料之一。2001年欧州议会通过了关于"电器和电子设备中限制有害物质" 的法令，并定于2008年实施，其中被限制使用的物质就包括含铅的压电器件。作为重要的功能材料，压电陶瓷在电子材料领域占据相当大的比重。近几年来，压电陶瓷在全球 每年的销售量按15%左右的速

10、度增长。随着电子整机向数字化、高频化、多功能化和薄、轻、小、便携式的方向发展，压电陶瓷器件也 在向片式化、多层化和微型化方向发展。近年来，包括多层压电变压器、多层压电驱动器、片式化压 电频率器件、声表面波(SAM)器件、薄膜体声波滤波器等一些新型压电陶瓷器件不断被研制出来，并广泛应用于微机电系统和信息领域。目前所用的压电陶瓷材料大多是基于错钛酸铅的含铅材料体系, 发展非铅系的环境协调性的压电铁电陶瓷是一项紧迫且具有重大实用意义的课题O一、在国民经济及国防建设中的作用和地位新材料是发展高新技术的物质基础，也是改造传统产业的必备条件，因此材料科学被列为对世纪六大高科技领域（生物、信息、能源、材料、

11、空间技术和海洋工程）之一。特种陶瓷（又称 高性能陶瓷，先进陶瓷，精细陶瓷，高技术陶瓷等）是新材料的一个组成部分，由于它具有其他 材料所没有的各种优良性能，例如：耐高温、高强度、重量轻、耐磨、耐腐蚀、优异的电、磁、 声、光、热学件能等，它在国民经济中的能源、电子、航空航天、机械、汽车、冶金、石油化工 和生物等各方面都有广阔的应用前景，成为各工业技术特别是尖端技术中不可缺少的关键材料， 在国防现代化建设中，武器装备的发展也离不开特种陶瓷材料。除此之外，在当今世界各国把环境保护作为重要的问题来考虑时，以环境保护、生活优化为背景的环境净化功能陶瓷的研究与开发也必然对改善人类生存环境，实施可持续发展战略

12、起到积极的推动作用。由此可见，特种陶瓷在国民经济建设及国防建设中的作用和地位是十分重要的。二、高性能陶瓷的现状、差距与问题（一）高性能陶瓷基本状况1.基本状况特种陶瓷一般分为结构陶瓷和功能陶瓷，有的还分为陶瓷涂层及陶瓷复合材料等。结构陶瓷主要是利用其耐高温、高强度、耐磨的性能，应用于热机部件、耐磨部件，例如刀 具、轴承、密封环、阀门等，热交换器、防弹材料及生物陶瓷等。主要的材料有Si3N4, SiC,ZrO2, A12O3, SiALON 等。功能陶瓷主要是利用其电、磁、声、光、热学等功能特性，应用于绝缘子，集成电路的基片，电容器，压电和铁电及敏感元件等。主要的材料有 BaTiO3, ZnO,

13、 Ph （ZrxTi1-x ）03, AIN, ZrO2 等。还应当提到的是陶瓷粉料是发展特种陶瓷的基础材料，是特种陶瓷的重要组成部分，对特种陶瓷的发展起到十分重要的作用。特种陶瓷作为一种新材料，近十几年来得到了迅速的发展。尽管70年代末到80年代中期，发达国家为应付可能产生的能源危机，在世界上掀起了一股研制陶瓷发动机而出现的“陶瓷 热”，使很多的企业卷入了这一行列，但是由于陶瓷材料的制造成本，可靠性，重复性等问题， 未能实现预定的目标，到如年代初开始降温。但这些研究成果使陶瓷材料的性能提高到一个崭新 的水平，制备工艺技术取得了很大的进步，大大地加速了结构陶瓷实用化进程，只是市场没有像预期的增

14、长那么快罢了。功能陶瓷由于电子、信息、通信事业的发展，仍稳步地增长，大约每年以10%的增长率发展。我国也经历了同样的过程。我国的特种陶瓷是五六十年代为支撑我国“两弹一星”的研制而发展起来的。经过几十年的发展，功能陶瓷已形成了一个行业，主要生产陶瓷基片、陶瓷电容器、陶瓷滤波器、压电陶瓷、 敏感陶瓷、磁性陶瓷、绝缘瓷等等。结构陶瓷通过“六五”、“七五”、“八五”的科技攻关， 进行结构陶瓷的研究与开发，使结构陶瓷取得了很大地进步，品种不断增加，但离形成一个行业还有相当的距离。我国特种陶瓷的基本情况列于表1。表1 我国特种陶瓷行业基本情况2.技术进步我国在“七五”、 “八五”期间， 国家约投入了1 亿

15、人民币，用于结构陶瓷和功能陶瓷的攻关及“863”计划，使得我国特种陶瓷研究工作进人世界的前列。在结构陶瓷材料的研究水平和性能上接近或达到国际先进水平（例如：高性能的氮化硅陶瓷在137c下，抗弯弓§度达到1000MPa以上，陶瓷轴承、陶瓷刀具等等的性能达到了国际先进水平），在国际上享有较高的学术地位。在“七五”、 八五”期间研究开发的严酷环境下应用的发动机陶瓷零部件方面也做了成功的探索，在发动机关键部位装有陶瓷零部件的一台无水冷6105 发动机， 通过了 3200km 的路试， 一台装有陶瓷零部件的无水冷6105 发动机在我国南疆沙漠地区通过了 11212km 的实际路试考核，引起了世

16、界瞩目。“863”计划资助的高介电低温烧结陶瓷多层电容器（ML。项目取得了一批具有国际先进水平的科研成果，利用该项目研究的低烧瓷料，达到 了年产10亿只MLC产品，产值在1.5亿元人民币以上，并进入了国际市场。但是应当指出，我国由于缺乏资金的投入将研究的成果转化为生产力，使得很多研究成果停留在实验室的水平上， 得不到实际应用，结果还是不得不引进国外的工艺技术、装备，进口国外产品，以满足国 内的需要。（二）差距与问题通过近十几年的努力，我国特种陶瓷的研究开发取得了很大的进展，特种陶瓷的品种不断增多，性能也不断提高，同时形成一批具有较高素质的科研开发队伍。但与发达国家相比，无论是 在市场开发，产品

17、的工程化开发，规模化工艺技术，还是在规模生产的工艺装备，工艺控制等方 面都存在着较大的差距，主要表 现在如下几个方面：1. 产品的市场占有率低至今，世界上大约开发了200 多种陶瓷材料及2000 多种应用产品。虽然我国能制备出性能良好的陶瓷材料，但许多仍停留在实验室的少量样品上，有的产品由于成本高及可靠性等问题，市场还不能接受，所以产品的销售额与发达国家相比相差甚远。根据预测，西方主要国家特种陶瓷的销售额1995 年为 156 亿美元， 2000 年为 280 亿美元， 1995 2000 年平均年增长率为10左右，见表2。今后十年仍将维持这个速度增长。从表2 可以看出，目前世界发达国家基本垄

18、断了特种陶瓷的国际市场，日本在世界特种陶瓷市场中占据主导地位，占世界市场的60%左右，美国占36左右，主要的原因是日本十分注重产品的开发应用，但美国在基础研究和工艺技术上仍然处于领先的地位。根据美国Business Commuru-cationsCo.Inc. 对美国特种陶瓷的市场分析，估计美国特种陶瓷的市场1995 年为 55 亿美元，到2000 年将增加到87 亿美元，平均年增长率为9.5 ，见表3 。从表 3 可以看出各类陶瓷所占的市场比例，销售额最大的是电子陶瓷，约占76 左右。但增长率比较快的是环境陶瓷，随后是陶瓷徐层，结构陶瓷。 表 2 世界主要国家特种陶瓷销售额（亿美元）据估计，

19、我国1995 年特种陶瓷的产值约为80 亿元人民币（约10 亿美元），其中电子陶瓷约占 70 ， 约 56 亿元； 结构陶瓷占30，约为 24亿元。 这相当于日本的1 9、 美国的 1 5，与欧洲的水平相当，相比之下我国的市场占有率与日本、美国有很大的差距。为了满足国内的需要，我国每年还不得不从国外进口大量的特种陶瓷产品（包括陶瓷粉料）。2. 缺乏特种陶瓷份料供应基地大家知道，特种陶瓷是由人工合成的原料制成的，陶瓷粉料的性能在很大程度上决定了陶瓷的质量，所以各国对陶瓷粉料的研究开发、制备十分重视，目前发达国家各种高纯超细的粉料，成分控制的特种陶瓷的粉料都有专业的公司生产，规格齐全，质量稳定，例

20、如，美国铝公司 生产的氧化铝粉料，日本宇部兴产（株）生产的氮化硅粉料，日本东洋曹达（株）生产的氧化诸粉料，日本川田（株）和美国TAM公司生产的电容器瓷料，日本德山营达的氮化铝粉料等等，木仅充分满足了本国研究、开发、生产的需要，而且还大量出口。我国对陶瓷粉料的制备还未引起足够的重视，我国有许多特种陶瓷的粉料尚无专业化生产企业，许多企业不得不“自产自销”。例如生产氮化硅刀具的企业， 自己生产氮化硅粉料，生厂碳化硅密封环的企业自己制备超细碳化硅粉料，甚至连科研单位也不得不采取同样的办法来满足自己研究的需要，结果大大地影响了研究开发的周期。即使有的陶瓷粉料有专业化生厂企业，也还存在着“统货”多， 规格

21、不全，或质量不稳定等问题，从而大大地影响了我国高性能陶瓷的研究与开发。 例如我国有好几个万吨级的氧化铝粉料生产厂，但生产氧化铝陶瓷基片的氧化铝粉料还得依赖进口就是一个例证。在这种情况下，我国每年还不得不从国外进口大量的氧化铝、氮化硅、钛酸钡和氧化铝等粉料来满足生产陶瓷基片、电容器和滤波器及结构陶瓷等的需要。3. 规模化工艺技术装备落后目前我国高性能陶瓷生产设备的研究开发尚未受到足够的重视，能提供的工艺装备也是落后的，即使引进了国外先进的工艺装备，像气氛加压烧结炉、热等静压、注射成型机、流延机等来提高我国的工艺技术装备水平，但也因价格昂贵，投资大，在经济上给企业造成了很大的压力，从而限制了特种陶

22、瓷的发展。4. 新产品的研究开发迟缓我国虽然能在实验室里制备出性能很好的陶瓷材料，但由于资金不足，缺乏中间试验这一环节， 不能很好地过渡到规模化生产阶段。有的即使投入了规模生产，结果也因工艺技术装备落后，生产成本高以及产品的可靠性、重复性等问题，使产品很难被市场接受，结果影响了产品的开发进程。例如80 年代末，国际上注意到了以环境保护和生活优化为背景的节省能源，减少公害增进人类健康的高性能陶瓷研究与开发，例如， 日本抗菌陶瓷面砖已投入市场，日本东陶公司目前产量为1.5万m2/月，预计1998年为4.5万m2/月。而我国现在才着手研究开发。5. 企业未形成自身良性循环的能力在发达国家，政府和企业

23、都投入大量的资金在特种陶瓷这个高技术产业，用于研究、开发、工艺技术改造，例如美国的公司一般从销售额中提取35作为研究开发和企业改造资金，日本像NGK公司甚至提取高达 7%资金用于增强市场的竞争力，从而促进了企业自身的发展。我国政府虽然投入一定的资金进行陶瓷新材料的研究，但是我国的企业由于缺乏资金，没有能力提取一定的资金来进行科研开发、技术改造、设备更新，所以很难使企业形成自身又胜循环的能力。6. 成果转化为生产产品的中间环节得不到资金的支持研究单位由于资金的缺乏，开发能力十分有限，成果转化为产品的中间实验过程得不到资金的支持， 致使研究开发的成果转化为规模化生产时，由于缺乏中试过程的工艺数据采

24、集，难以形成生产力，现在我国实行产学研一体化开发政策，将为改变这一状况起到良好的作用。三、需求与挑战特种陶瓷具有各种现有材料中所没有具备的优异性能，它在高技术领域中，像机械、电子信后、航空航天、汽车、能源、生物和国防等，有着广泛的用途。随着我国国民经济的高速发展，工业技术水平的不断提高，人民生活的不断改善以及国防现代化的需要，迫切地需要大量的特种陶瓷产品，市场前景十分广阔。预计到 2000 年其销售额将达到110 亿元， 2010 年达到 300 亿元， 2015 年达到 450 亿元，见表3，图2。表 3 我国特种陶瓷市场预测（亿元）1.2000 年功能闭资的主要需求（ 1）陶瓷基片100

25、万m2 a（ 2）陶瓷电容器几百亿只a（ 3）独石电容器粉料1000t a（ 4）中、高压电容器瓷料4000t/a（ 5）以敏感陶瓷用瓷料5000t a（6）陶瓷光纤连接器 2000万套/ a除此之外.还需要大量的高导热陶瓷（氮化铝陶瓷）基片，低介电常数陶瓷基片以及微波介 质陶瓷材料等。2 .结构陶瓷（1）机械行业陶瓷刀具200万片/a陶瓷轴承7100万套/a陶瓷密封环400万件/ a陶瓷火花塞几百 t/a（2）建材行业用的耐磨、耐高温陶瓷材料氧化铝研磨介质和衬里 1万t / a辐道窑陶瓷棍棒5万支/ a（3）石油化工行业需要大量的耐磨耐腐蚀的陶瓷部件，如球阀、缸套等。（4）纺织行业需要大量的耐磨的陶瓷件，如陶瓷剪刀、导丝轮等。3 .国防工业需要的具有特殊性能的陶瓷材料，如防弹装甲陶瓷，耐辐照高温轻质隔热材料，航空航天用的反射镜陶瓷材料，激光器用的聚光腔陶瓷材料，红外吸收、红外发射。微波吸收等隐身、诱饵陶瓷材料等。4 .环境保护用的生态环境陶瓷，如过滤废气废水的陶瓷分离膜及