电子功能陶瓷材料种类繁多、用途广泛。其中圆片电容器用电子陶瓷材料,MLCC用电子陶瓷材料,微波器件用电子陶瓷材料以及钛酸钡,二氧化钛等皆属于当下比较热门的电子功能陶瓷材料领域。下面重点介绍一下这几个领域的材料情况。
一、圆片电容器用电子陶瓷材料
目前国内圆片形电容器用电子陶瓷材料主要为一类陶瓷材料:NP\系列UJ-80\\系列、SL-\系列,二类陶瓷材料主要有DL-、D-2、E-、E-0等,圆片电子陶瓷材料近几年来,市场一直为下滑趋势,这一现象与当前圆片电子陶瓷材料无法满足高端电容性能需求,有直接的关系。高介电常数、小温度变化率的材料需求日益提高,尤其是国家电网的改造,大量需求电子式电容分压互感器,而该元器件对瓷料的要求温度范围宽(-40℃~70℃),变化率小(<1%),抗干扰能力强(介电常数大)。可以看到,在圆片瓷粉材料方面,只有提高其性能水平才能满足元器件的更大需求,最亟待解决的问题仍是提高介电常数、改善温度特性(Y5P-4,Y5V-20)以及提高交流耐电压强度(6kV/mm)。目前圆片电子陶瓷材料在熔块制备上,由传统固相法向水热合成过渡,生产工艺水平及环境也不断提升。虽然在一些高端领域,圆片材料当前水平仍是落后于国际先进生产水平,但是国内瓷料在研发方向及生产工艺上,也是不断进步。
二、MLCC用电子陶瓷材料
MLCC容量大、寿命长、耐高温高压、体积小、物美价廉,而成为主要的陶瓷电容。在应用上,MLCC的约70%需求来自消费电子领域,其中音视频设备的需求占比达到15%,手机设备的需求占比达到38%,PC的需求占比达到19%。车用MLCC也是一个重要的需求来源,占比达到16%。以iPhone为例,iPhone4S的单机MLCC需求量仅为颗,到4G时代的iPhoneX已增加至颗。未来5G通信将大大拉动MLCC用量,5G手机的MLCC需求量预计比4G手机增长50-%。此外,在智能手机更新换代的浪潮下,各手机品牌均在推出创新产品,无线充电、全面屏、多摄像头等功能也增加了对MLCC的需求。
MLCC用电子陶瓷材料,竞争日趋激烈,其中占主导的材料仍然是传统的X7R、C0G、Y5V,介电常数及耐压特性不断提高,X8R和X9R的材料工艺已经日渐成熟,需求量也与日剧增。当前我国高端钛酸钡和高端MLCC陶瓷介电材料基本依赖进口。国际巨头把持着核心技术,国内MLCC陶瓷介电材料企业多奋战于中低端市场,微效益、复制化、单一化等产品及效益特征明显。国内生产的MLCC陶瓷介电材料与国外尖端产品还存在不小的差距,主要体现在:粉体的颗粒达不到一致性好的粒径要求;粉体分散性不好,存在团聚;产品稳定性不高等。
三、微波介质陶瓷
近年来,移动通讯、卫星通信、军用雷达、全球卫星定位系统(GPS)、蓝牙技术及无线局域网等现代通信技术得到了快速发展。这些通信装置中使用的微波电路一般由谐振器、滤波器、振荡器、衰减器、介质天线及微波集成电路基片等元件组成,微波介质陶瓷(MWDC)是其制备的关键基础材料。
目前5G陶瓷滤波器产业成为热点,滤波器作为重要的射频单元的核心器件之一,其作用是消除干扰杂波,让有用信号尽可能无衰减的通过,对无用信号尽可能的衰减。5G通信的MassiveMIMO天线技术以及基站小型化、高度集成化设计,对于滤波器的小型化、轻量化、高性能的要求比较高,然而在3G/4G时代采用的腔体滤波器存在体积过大、重量大以及发热多等缺点,因此陶瓷介质滤波器凭借高Q值、低插损、尺寸小、轻量化等优点占据绝对优势,成为5G滤波器的主流。
微波介质陶瓷(MWDC)是应用于微波频段(主要是UHF、SHF频段,MHz~GHz)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷。原材料陶瓷粉体决定了产品的性能,受到企业的高度重视,原材料陶瓷粉体的配方和烧结是工艺难点,也是整个产业链高附加值环节之一,多数公司希望在该领域具备自主知识产权,以提升产品供应实力。
四、低温共烧陶瓷
低温共烧陶瓷技术(LTCC),就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带,作为电路基板材料,在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形,并将多个无源元件埋入其中,然后叠压在一起,在℃烧结,制成三维电路网络的无源集成组件,也可制成内置无源元件的三维电路基板,在其表面可以贴装IC和有源器件,制成无源/有源集成的功能模块。
LTCC材料经历了从简单到复合、从低介电常数到高介电常数和使用频段不断增加等发展过程。从技术成熟程度、产业化程度及应用广泛程度来评价,目前LTCC技术是无源集成的主流技术,它涉及到低温共烧材料和低温共烧工艺两大方面,其中低温共烧陶瓷材料是最关键和最基础的问题。材料是决定产品主要技术指标的基础,无疑,成功地开发出LTCC所用材料是LTCC成功的基础。目前,LTCC材料在日本和美国等发达国家已进入产业化、系列化和可进行材料设计的阶段,许多LTCC材料生产厂家可以提供配套系列产品。但在国内仍属于起步阶段,拥有自主知识产权的材料体系和器件几乎是空白,有量产的基本上也是从国外购买陶瓷生带进行加工。而且国外公司对该技术高度保密,国内对于该材料的研究技术水平与国外相比,距离有进一步拉大的趋势。因而开发出系列化的且拥有自主知识产权的LTCC瓷粉料,就具有十分重要的意义。
五、小结
从全球电子陶瓷产业技术水平看,日本和美国处于世界的领先地位。其中,日本凭借其超大规模的生产和先进制备技术,在世界电子陶瓷市场中具有主导地位,占有世界电子陶瓷市场50%以上的份额。美国在基础研究和新材料开发方面力量雄厚,其注重产品的前沿技术和在军事领域的应用,如在水声、电光、光电子、红外技术和半导体封装等方面处于优势地位。此外,韩国在电子陶瓷领域发展迅速,引人瞩目。
从国内电子陶瓷产业的市场发展来看,年受疫情影响电子陶瓷材料行业瓷粉产量与年相比,产量增长了近13%,出口量下降了近3%,销售收入下降了近6%,利润下降了近4%,部分企业受疫情影响严重,销售降幅达到20%。