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“电子陶瓷”让电子工业越来越牛

作者:粉体圈 更新时间:2020-04-07 09:51 来源:粉体圈 点击数:214

金属导电,塑胶不导电,大家都耳熟能详的,但是陶瓷材料具有的极为宽广的电气特性,从绝缘体,到半导体,导体、甚至超导体的性能你又是否了解呢?正是由于陶瓷材料具有如此的“天赋异禀”,才能在电子工业被大量应用。伴随着电子信息技术的集成化、微型化和智能化发展,电子元器件正逐步迈向微型化、薄膜化、多功能、高性能、高可靠性和高稳定发展,因此多能的,完美匹配得上如上需求的电子陶瓷材料的研究和开发越发受到重视。

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电子陶瓷:“俺可以可满足电子产品轻、薄、短、小的发展趋势”(图片来源:村田制造所)


首先看一下电子陶瓷的定义。电子陶瓷是指应用于电子技术中的各种陶瓷,也就是在电子工业中用于制造电子元件和器件的陶瓷材料,一般分为结构陶瓷和功能陶瓷(电功能为主)。其中的结构陶瓷指的是制造电子元件、器件、部件和电路中的基体、外壳、固定件和绝缘零件等陶瓷材料,又称装置瓷,大致可分为:电真空瓷、电阻基体瓷和绝缘零件,而功能陶瓷则是用于制造电容器、电阻器、电感器、换能器、滤波器、传感器等,在电路中起一种或多种作用的陶瓷材料,可分为电容器瓷、铁电瓷、压电瓷、半导体瓷和磁性瓷等。

电子陶瓷产业链上下游如下图

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电子陶瓷材料以电、磁、光、热和力学等特性及其相互转化为主要特征,是电子、通讯、自动控制、信息计算机、激光、医疗、机械、汽车、航空、航天、核技术和生物技术等众多高技术领域中的关键材料,据称电子陶瓷的产值占先进陶瓷总值约7成,有着显著的社会效益和客观的经济效益,是经济发达国家、地区的优先发展对象。电子陶瓷按其应用及功能性可分为:绝缘装置瓷、介电陶瓷(主要用于电容器)、半导体陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等。

常见的电子陶瓷类型简单介绍


绝缘陶瓷装置瓷

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氮化铝基板:“俺是散热高手”

简称装置瓷,具有优良的电绝缘性能,主要用来隔绝、支撑电路上的电子线路、防止导体因相互接触而产生短路的现象、起到固定与保护电子元件的作用,并提供电路的散热功能,绝缘陶瓷具有高温稳定性、不产生有害气体、良好化学稳定性及较高的机械强度等优点。装置瓷包括各种绝缘子、线圈骨架、电子管座、波段开关、电容器支柱支架、集成电路基片和封装外壳等。

随着电气电子设备向高功率、高度集成化及小型化的发展,设备单位体积内的长热量“暴增”,因此当前高导热的绝缘基片材料备受关注。目前高导热的陶瓷基板材料常见的陶瓷封装基板材料主要包括氧化铝,氧化铍和氮化铝,当然氮化硅基板因具有极高的热导率及机械性能也是被看好的基板材料之一(但目前量产困难)。其中,氧化铝陶瓷价格适中,具有其良好的耐热冲击性和电绝缘性以及成熟的制造和加工技术而被广泛使用;氮化铝则具有远远高于(约7倍或以上)氧化铝基板的导热率,在某些尖端应用领域有着不可取代的作用。

陶瓷绝缘体在高频的环境下操作具有较低的信号失真效应,可应用于高频无线通信用途上,如短距离无线通信的蓝牙模块及无线区域网路通信上。

②介电陶瓷

介电陶瓷设绝缘陶瓷本质上属于同一类陶瓷,但是与绝缘陶瓷不同的是,主要利用介电性能的陶瓷称为介电陶瓷。或者说,介电陶瓷是通过控制陶瓷的介电性质,使之具有较高的介电常数、较低的介质损耗和适当的介电常数温度系数的一类陶瓷。介电陶瓷是电子陶瓷中产量最大的一支,主要用于陶瓷电容器和微波介质元件。

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介电陶瓷:“俺一般用来整电容器”(图片来源:村田)

介电陶瓷是怎么工作的?设想在平行板电容器的两板上,充以一定的电荷,当两板间存在电介质是,两板的电位差总是比没有电介质存在(真空)时低,在介质表面会出现感应电荷,如下图所示。


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电介质极化示意图(图片来源:村田)

电容器陶瓷介质材料的品种极为繁多,有低频的BaTiO3系瓷料,高频的MgTiO3、CaTiO3系瓷料,高压大容量的SrTiO3系瓷料,低频高介独石电容器用的Pb(Mg,Nb)O3系瓷料等等。目前,国内外均已按ε值(从几到几千,甚至到几万)和ε的温度系数(从负几千到正几百ppm,包括接近于零值的)将电容器瓷料予以系列化生产,以满足不同的需要。

微波介质陶瓷的种类也不少。当前主要有(Mg,Ca)TiO3系(ε≈20)和BaO·4TiO2系、2BaO·TiO2系、Pb(Mg,Nb)O3系、Pb(Zn,Nb)O3系、Ba(Zn,Nb)O3系、Ba(Sr,Ta)O3系(它们的ε均在30~40之间)以及BaO-Nd2O3-TiO2、BaO-Sm2O3-TiO2稀土混晶系(ε=70~90)等。所有上述物系均可制造出在几千MHz下,Q(1/tanδ)值不低于3000,而ε温度系数极低(可接近于零)的瓷料。微波介质陶瓷的主要用途是用作微波介质谐振器及微波集成电路基片等。

③半导体陶瓷

在一般印象中陶瓷是电的绝缘体,主要是由于其电子能阶中的导电带与价电带的能隙过大,电子无法被激发跃升至导电带,形成可导电的自由电子,因而成为绝缘体。若在陶瓷中掺杂一些不同电价的元素,则能在导电带与价电带之间创造出施体或受主能阶,减小能阶的间隙,形成半导体陶瓷,使得陶瓷体可以导电。

装置瓷、电容器瓷、铁电压电瓷:电阻系数大于1012欧姆˙公分,防止半导化,保证高绝缘电阻率;半导体陶瓷的电阻系数约为103~106欧姆˙公分,电导系数则会受到物质的能带结构、晶格缺陷、杂质含量及种类的影响。半导体瓷的应用以电阻型敏感材料为主,其对热、光、电压、气氛、湿度敏感,故可做各种热敏、光敏、亚敏、气敏、湿敏材料。

举个例子:有些半导性陶瓷的导电性因温度的不同变化很大,可以用来量测温度,以PTC(正温度系数)陶瓷做加热器具有自动控温的特能,如近来常见的陶瓷暖炉,就是一例。

④导电陶瓷

还是上文那句老话:陶瓷是良好的绝缘体,它一般不导电。例如在氧化物陶瓷中,原子的外层电子通常受到原子核的吸引力,被束缚在各自原子的周围,不能自由运动,所以氧化物陶瓷通常是不导电的绝缘体。然而,某些氧化物陶瓷加热时,处于原子外层的电子可以获得足够的能量,以便克服原子核对它的吸引力,而成为可以自由运动的自由电子,这种陶瓷就变成导电陶瓷。

材料的总电导率由电子电导率δe和离子电导率δi两部分组成,即δ=δe+δi。当电流通过材料时,电子可以有两种方式通过晶格运动来完成电荷输运过程:①电子脱离原子成为自由电子,在晶格中运动,形成所谓的电子导电(陶瓷:“自由电子我木有”);②电子与原子核一起移动产生所谓的离子导电。对金属来说,电子导电是其导电的主要方式,相比之下,离子导电几乎可忽略不计。但对多晶陶瓷或非晶态玻璃等材料来说,由于离子电导活化能比较低(一般在0.5eV以下),离子导电已不容忽视,甚至是这些材料中的主要导电方式。

常见的快离子导电陶瓷材料分为3类:a.银、铜的卤族和硫族化合物,金属原子在化合物中键合位置相对随意;b.具有β-Al2O3结构的高迁移率单价阳离子氧化物;c.具有氟化钙(CaF2)结构的高浓度缺陷的氧化物,如CaO·ZrO2、Y2O3·ZrO2。

快离子导体(固体电解质)陶瓷材料是一种新型且有特殊功能的仪器仪表材料,由于每种快离子导体都有一种起主宰作用的迁移离子,故它们具有很好的离子选择性。根据离子传导性对周围物质的活度(浓度或分压)、温度、湿度、压力的敏感性,利用快离子导体可制作多种固态离子选择电极、气(液、湿、热、压)敏传感器、高纯物质提取装置等;利用快离子导体内某些离子的氧化-还原着色效应可制作电色显示器等。利用快离子导体充、放电特性可制作库仑计、可变电阻器、电化学开关、电积分器、记忆元件等多种离子器件,因此该材料有着广泛的应用范围及很好的应用前景。

⑤超导陶瓷

1973年,人们发现了超导合金--铌锗合金,其临界超导温度为23.2K,该记录保持了13年。1986年,设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物(镧-钡-铜-氧)具有35K的高温超导性,打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念,引起世界科学界的轰动。

所谓超导现象,是指在某一临界温度下物体电阻为零的现象。超导现象可以用来作为电力输送与超导磁铁之用,虽然许多物质在接近0K的温度都具有超导性,但陶瓷超导体的临界温度极高,在液态氮冷却的情况下就可以呈现超导现象,大幅降低冷却成本。高临界温度(90K以上)的超导陶瓷材料组成有YBa2Cu3O7-δ,Bi2Sr2Ca2Cu3O10,Ti2Ba2Ca2Cu3O10。2013年,一个马普研究所参与的国际研究组发现,当使用红外激光脉冲照射钇钡铜氧化物材料时,它会在室温条件下短暂地显示出超导性。

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快到飞(模)起(糊)的超导磁悬浮列车

日本某车载人行驶时速可达603公里