電子陶瓷

電子陶瓷（electronic ceramic），是指在電子工業中能夠利用電、磁性質的陶瓷。電子陶瓷是通過對表面、晶界和尺寸結構的精密控制而最終獲得具有新功能的陶瓷。在能源、家用電器、汽車等方面可以廣泛套用。

基本介紹

• 中文名：電子陶瓷
• 外文名：electronic ceramic
• 簡介：利用電、磁性質的陶瓷
• 分類：絕緣裝置瓷、電容器瓷等

簡介

廣泛用於製作電子功能元件的、多數以氧化物為主成分的燒結體材料。電子陶瓷的製造工藝與傳統的陶瓷工藝大致相同。

電子陶瓷或稱電子工業用陶瓷，它在化學成分、微觀結構和機電性能上，均與一般的電力用陶瓷有著本質的區別。這些區別是電子工業對電子陶瓷所提出的一系列特殊技術要求而形成的，其中最重要的是須具有高的機械強度，耐高溫高濕，抗輻射，介質常數在很寬的範圍內變化，介質損耗角正切值小，電容量溫度係數可以調整（或電容量變化率可調整）．抗電強度和絕緣電阻值高，以及老化性能優異等。

發展過程

電子陶瓷材料的發展，同物理化學、套用物理學、矽酸鹽物理化學、固體物理學、光學、電學、聲學、無線電電子學等的發展密切相關，它們相互促進，從而在電子技術的飛躍發展中，使電子陶瓷也相應地取得了很大進展。

電子陶瓷

分類

電子陶瓷按功能和用途可以分為五類：絕緣裝置瓷、電容器瓷、鐵電陶瓷、半導體陶瓷和離子陶瓷。

絕緣裝置瓷

簡稱裝置瓷，具有優良的電絕緣性能，用作電子設備和器件中的結構件、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、電容器支柱支架、積體電路基片和封裝外殼等。對這類瓷的基本要求是介電常數ε低，介質損耗tanδ小，絕緣電阻率ρ高，擊穿強度E 大，介電溫度特性和頻率特性好。此外，還要求有較高的機械強度和化學穩定性。

電子陶瓷

在這類陶瓷中以滑石瓷和氧化鋁瓷套用最廣。它們的主晶相成分分別為 及 。滑石瓷的電絕緣性優良且成本較低，是用於射電頻段內的典型高頻裝置瓷。氧化鋁瓷是一類電絕緣性更佳的高頻、高溫、高強度裝置瓷。其電性能和物理性能隨三氧化二鋁含量的增多而提高。常用的有含75%、95%、99%三氧化二鋁的高鋁氧瓷。在一些要求極高的積體電路中，甚至還使用三氧化二鋁含量達99.9%的純剛玉瓷，其性質與藍寶石單晶相近。高鋁氧瓷，尤其是純剛玉瓷的缺點是製造困難，燒成溫度高、價格貴。

裝置瓷中還有一類以氧化鈹 (BeO）為代表的高熱導瓷。含 BeO95%的氧化鈹瓷的室溫導熱率與金屬相同。氧化鈹還具有良好的介電性、耐溫度劇變性和很高的機械強度。其缺點是BeO原料的毒性很大，瓷料燒成溫度高，因而限制了它的套用。氮化硼 (BN）瓷和氮化鋁（AlN）瓷也屬於高熱導瓷，其導熱性雖不及氧化鈹瓷，但無毒，加工性能和介電性能均好，可供高頻大功率電晶體和大規模積體電路中作散熱及絕緣用。

研製出一類以SiC為基料，摻入少量BeO等雜質的熱壓陶瓷。這種陶瓷絕緣性能優良，熱導率高於純度為99%的氧化鈹瓷。它的熱膨脹係數與矽單晶可在寬溫度範圍內接近一致，可望在功率耗散較大的大規模積體電路中得到套用。

用作碳膜和金屬膜電阻器基體的低鹼長石瓷也是一類重要而價廉的裝置瓷，但其介質損耗較大，不宜在高頻下使用。

電容器瓷

用作電容器介質的電子陶瓷。這類陶瓷用量最大、規格品種也最多。主要的有高頻、低頻電容器瓷和半導體電容器瓷。

高頻電容器瓷 　屬於Ⅰ類電容器瓷，主要用於製造高頻電路中的高穩定性陶瓷電容器和溫度補償電容器。構成這類陶瓷的主要成分大多是鹼土金屬或稀土金屬的鈦酸鹽和以鈦酸鹽為基的固溶體（表1）。

電子陶瓷

選用不同的陶瓷成分可以獲得不同介電常數、介質損耗角正切 tanδ和介電溫度係數αε的高頻電容器瓷料，用以滿足各種溫度補償的需要。表中的四鈦酸鋇瓷不僅是一種熱穩定性高的電容器介質，而且還是一種優良的微波介質材料。

低頻電容器瓷 　屬於Ⅱ類電容器瓷，主要用於製造低頻電路中的旁路、隔直流和濾波用的陶瓷電容器。主要特點是介電常數ε 高，損耗角正切較大且tanδ及ε隨溫度的變化率較大。這類陶瓷中套用最多的是以鐵電鈦酸鋇（BaTiO3）為主成分，通過摻雜改性而得到的高ε（室溫下可達20000）和ε的溫度變化率低的瓷料。以平緩相變型鐵電體鈮鎂酸鉛 (PbMg1/3Nb2/3O3）等為主成分的低溫燒結型低頻獨石電容器瓷料，也是重要的低頻電容器瓷。

半導體電容器瓷 　利用半導體化的陶瓷外表面或晶粒間的內表面（晶界）上形成的絕緣層為電容器介質的電子陶瓷。其中利用陶瓷晶界層的介電性質而製成的邊界層電容器是一類新型的高性能、高可靠的電容器，它的介電損耗小、絕緣電阻及工作電壓高。這種陶瓷的視在介電常數極高（可達 105以上）、介質損耗小（小於1%）、體電阻率高（高於 1011歐·厘米）、介質色散頻率高（高於1吉赫）、抗潮性好，是一種高性能、高穩定的電容器介質。　鐵電陶瓷 　以鐵電性晶體為主晶相的電子陶瓷。已發現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鈣鈦礦型的鐵電晶體或固溶體。　在一定的溫度範圍內晶體中存在著可隨外加電場而轉變方向的自發極化，這就是晶體的鐵電性。當溫度超過某一臨界值──居里溫度TC時，其極化強度下降為零，晶體即失去鐵電性，而成為一般的順電晶體；與此同時，晶體發生鐵電相到順電相的相變。鐵電體的極化強度還隨電場而劇烈變化。

電子陶瓷

鐵電體的重要微觀特徵是具有電疇結構，即鐵電體具有許多沿特定方向自發極化到飽和的小區域──電疇。這些取向不同的電疇以疇壁分開。在相當強的外電場作用下，這種多疇晶體可以被電場強迫取向而單疇化。這種電疇隨外電場而反轉取向的動力學過程，包括疇壁的運動過程以及新疇成核和成長的過程。

鐵電陶瓷

功能多、用途廣。利用其壓電特性可以製成壓電器件，這是鐵電陶瓷的主要套用，因而常把鐵電陶瓷稱為壓電陶瓷。利用鐵電陶瓷的熱釋電特性（在溫度變化時，因極化強度的變化而在鐵電體表面釋放電荷的效應）可以製成紅外探測器件，在測溫、控溫、遙測、遙感以至生物、醫學等領域均有重要套用價值。典型的熱釋電陶瓷有鈦酸鉛（PbTiO3）等。利用透明鐵電陶瓷PLZT（摻鑭的鈦鋯酸鉛）的強電光效應（通過外加電場對透明鐵電陶瓷電疇狀態的控制而改變其光學性質，從而表現出電控雙折射和電控光散射的效應），可以製成雷射調製器、光電顯示器、光信息存儲器、光開關、光電感測器、圖像存儲和顯示器，以及雷射或核輻射防護鏡等新型器件。

半導體陶瓷

通過半導體化措施使陶瓷具有半導電性晶粒和絕緣性（或半導體性）晶界，從而呈現很強的界面勢壘等半導體特性的電子陶瓷。

陶瓷半導體化的方法主要有強制還原法和施主摻雜法（亦稱原子價控法）兩種。兩種方法都是在陶瓷的晶體中形成離子空位等缺陷，從而提供大量導電電子，使陶瓷中的晶粒成為某種類型（通常是 N型）的半導體。而這些晶粒之間的間層為絕緣層或另一類型（P 型）的半導體層。

半導體陶瓷種類很多，其中包括利用半導體瓷中晶粒本身性質製成的各種負溫度係數熱敏電阻；利用晶界性質製成的半導體電容器、ZnO 壓敏電阻器、BaTiO3系正溫度係數熱敏電阻器、CdS/Cu2S太陽能電池；以及利用表面性質製成的各種陶瓷型濕敏電阻器和氣敏電阻器等。表2列出典型的感測器用半導體陶瓷。

CdS/Cu2S系光電陶瓷不同於上表所列的利用絕緣晶界層性質的半導體瓷，它所利用的是N型CdS與P型Cu2S晶界層之間的PN異質結的光伏效應。用它製成的陶瓷太陽能電池，可以作為無人值守台站的電源，也可作為電子儀器中的光電耦合器件。

離子陶瓷

快離子導電的電子陶瓷。具有快速傳遞正離子的特性。典型代表是 β-Al2O3 瓷。這種陶瓷在300℃下離子電導率可達0.1/（歐·厘米），可用來製作較經濟的高比率能量的固體電池，還可製作緩慢放電的高儲能密度的電容器。它是有助於解決能源問題的材料。

研究方向

電子陶瓷的研究方向是：

①研究陶瓷的組成、結構和原子價鍵特性及其相互關係，以改善電子陶瓷的性能；

②研究製造超微粉粒和超純粉粒以及成型、燒結等工藝，以改善電子陶瓷的製造技術；

③探討陶瓷中可能存在的各種物理效應，發展新型功能材料及多功能材料；

④套用複合材料的理論和技術，研究以陶瓷為主體的結構複合、物理複合和功能複合的材料；

⑤套用表面分析、能譜分析和計算機模擬等技術，研究陶瓷中晶粒間界面的組成、結構和性質等。

套用前景

電絕緣陶瓷的套用前景

電絕緣陶瓷因具備導熱性良好、電導率低、介電常數小、介電損耗低、機械強度高、化學穩定性好等特性，被廣泛套用於金屬熔液的浴槽、熔融鹽類容器、封裝材料、積體電路基板、電解槽襯裡、金屬基複合材料增強體、主動裝甲材料、散熱片以及高溫爐的發熱件中。在電子、電力工業中，絕緣陶瓷比如電力設備的絕緣子、絕緣襯套、電阻基體、線圈框架、電子管功率管的管座及積體電路基片等主要是用於電器件的安裝、保護、支撐、絕緣、連線和隔離。

由於陶瓷的絕緣性主要由晶界相決定，為了提高絕緣性，應儘量避免鹼金屬氧化物的存在，而且玻璃相應儘量是硼玻璃、鋁矽玻璃或矽玻璃。一般來說，陶瓷內部氣孔對絕緣性影響不大，但陶瓷表面的氣孔會因被污染或吸附水而使表面絕緣性變差，所以絕緣陶瓷應選擇無吸水性，氣孔少的緻密材料。

介電陶瓷的套用前景

介電陶瓷因具有高強度、介電損耗低、耐熱性、穩定性等特點，目前被廣泛套用於積體電路基板的製造材料。比如氧化鈹、氧化鋁、氮化鋁及碳化矽等可普遍作為積體電路基板的陶瓷材料，其中氧化鈹因製造工藝複雜、毒性大及成本高等原因限制了它的使用；而碳化矽的導熱性雖然優於氧化鋁，且通過熱壓方法製成的高性能基板，在200攝氏度左右時其性能仍能滿足實用要求，但由於熱壓燒結工藝複雜及添加劑有毒，也限制了它的發展；氮化鋁的其他電性能雖然和氧化鋁陶瓷大致相當，但其熱傳導率卻是氧化鋁瓷的10倍左右，所以極有可能成為超大規模積體電路的下一代優質基板材料。

電絕緣陶瓷因具備導熱性良好、電導率低、介電常數小、介電損耗低、機械強度高、化學穩定性好等特性，被廣泛套用於金屬熔液的浴槽、熔融鹽類容器、封裝材料、積體電路基板、電解槽襯裡、金屬基複合材料增強體、主動裝甲材料、散熱片以及高溫爐的發熱件中。在電子、電力工業中，絕緣陶瓷比如電力設備的絕緣子、絕緣襯套、電阻基體、線圈框架、電子管功率管的管座及積體電路基片等主要是用於電器件的安裝、保護、支撐、絕緣、連線和隔離。由於陶瓷的絕緣性主要由晶界相決定，為了提高絕緣性，應儘量避免鹼金屬氧化物的存在，而且玻璃相應儘量是硼玻璃、鋁矽玻璃或矽玻璃。一般來說，陶瓷內部氣孔對絕緣性影響不大，但陶瓷表面的氣孔會因被污染或吸附水而使表面絕緣性變差，所以絕緣陶瓷應選擇無吸水性，氣孔少的緻密材料。

介電陶瓷的套用前景

介電陶瓷因具有高強度、介電損耗低、耐熱性、穩定性等特點，目前被廣泛套用於積體電路基板的製造材料。比如氧化鈹、氧化鋁、氮化鋁及碳化矽等可普遍作為積體電路基板的陶瓷材料，其中氧化鈹因製造工藝複雜、毒性大及成本高等原因限制了它的使用；而碳化矽的導熱性雖然優於氧化鋁，且通過熱壓方法製成的高性能基板，在200。C左右時其性能仍能滿足實用要求，但由於熱壓燒結工藝複雜及添加劑有毒，也限制了它的發展；氮化鋁的其他電性能雖然和氧化鋁陶瓷大致相當，但其熱傳導率卻是氧化鋁瓷的10倍左右，所以極有可能成為超大規模積體電路的下一代優質基板材料。

發展趨勢

技術集成化

在原有工藝的基礎上，電子陶瓷材料製備技術的開發也結合了現代新型工藝的複合工藝。其中，多種技術的集成化是電子陶瓷材料製備技術的新發展趨勢，比如納米陶瓷製備技術及納米級陶瓷原料、快速成形及燒結技術、濕化學合成技術等都為開發高性能電子陶瓷材料打下了基礎。隨著多功能化、高集成化、全數位化和低成本方向發展，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展進程。

功能複合化

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、半導體及金屬結合起來的複合電子陶瓷是開發各種電子元器件的基礎，它是發展智慧型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支持。

結構微型化

目前，電子陶瓷材料與微觀領域的聯繫不斷深入，其研究範圍也正在延伸。基於電子陶瓷的微型化和高性能正在不斷出現，比如在微型化技術和陶瓷的薄膜化的聯合運用以生產用於信息控制的高效微裝置，電子陶瓷機構和裝置尺寸減小的趨勢是得益於微型化技術發展而出現的。目前元器件研究開發的一個重要目標是微型化、小型化，其市場需求也非常大；片式化功能陶瓷元器件占據了當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。要實現小型化、微型化的話，從材料角度而言，在於提高陶瓷材料的性能和發展陶瓷納米技術和相關工藝，所以發展高性能功能陶瓷材料及其先進制備技術是功能陶瓷的重要研究課題。

環保無害化

近年來，隨著人類社會的可持續發展以及環境保護的需求，已開發國家致力研發的熱點材料之一就是新型環境友好的電子陶瓷。作為重要的功能材料，被廣泛套用於微機電系統和信息領域的新型壓電陶瓷，比如多層壓電變壓器、多層壓電驅動器、片式化壓電頻率器件、聲表面波(SAM)器件、薄膜體聲波濾波器等器件也不斷被研製出來。

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