3C融合對(duì)功能陶瓷提出挑戰(zhàn)
集計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類(lèi)電子于一體的數(shù)字3C產(chǎn)品近年來(lái)得到了快速發(fā)展，3C融合產(chǎn)品已成為今后重要的發(fā)展方向。據(jù)預(yù)測(cè)，3C融合將創(chuàng)造出一個(gè)高達(dá)4000億美元的產(chǎn)業(yè)。3C產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，極大地推動(dòng)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(duì)電子元器件的基礎(chǔ)材料———信息功能陶瓷提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)也提供了良好的發(fā)展機(jī)遇。
功能陶瓷是指以電、磁、光、聲、熱、力、化學(xué)和生物等信息的檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、耦合、傳輸及存儲(chǔ)等功能為主要特征的陶瓷材料，主要包括鐵電、壓電、介電、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和磁性陶瓷等。功能陶瓷在信息的檢測(cè)、轉(zhuǎn)化、處理和存儲(chǔ)顯示中應(yīng)用廣泛，是信息技術(shù)中基礎(chǔ)元器件的關(guān)鍵材料，對(duì)發(fā)展電子信息產(chǎn)業(yè)等許多高科技產(chǎn)業(yè)具有重要的戰(zhàn)略意義。
功能陶瓷在小型化和便攜式電子產(chǎn)品中占有十分重要的地位，世界各國(guó)元器件生產(chǎn)企業(yè)都在電子陶瓷及其元器件的新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備方面投入巨資進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。高投入的研發(fā)使得電子陶瓷及元器件成為一個(gè)創(chuàng)新活躍、競(jìng)爭(zhēng)激烈的領(lǐng)域，每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件問(wèn)世。
近些年來(lái)，在國(guó)家諸多重點(diǎn)科研計(jì)劃的支持和推動(dòng)下，我國(guó)在功能陶瓷材料的科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)化方面有了很大發(fā)展，但總體來(lái)看，我國(guó)的電子信息產(chǎn)業(yè)，特別是一些附加價(jià)值高、技術(shù)含量高的新型電子信息產(chǎn)品和一些基礎(chǔ)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在很大差距，不少高端產(chǎn)品在相當(dāng)大的程度上被外資企業(yè)所控制。國(guó)外大公司如村田、松下、京都陶瓷、摩托羅拉等近年來(lái)長(zhǎng)驅(qū)直入中國(guó)市場(chǎng)，目前已占據(jù)了國(guó)內(nèi)片式元器件特別是高檔片式元器件市場(chǎng)相當(dāng)大的份額。我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)正面臨著產(chǎn)品升級(jí)換代的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
近年來(lái)，隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，以信息技術(shù)為應(yīng)用領(lǐng)域的功能陶瓷成為新材料研究中十分活躍的領(lǐng)域。而其應(yīng)用領(lǐng)域正在從傳統(tǒng)的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)向數(shù)字化的信息產(chǎn)品，包括通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)和數(shù)字化音視頻設(shè)備等。數(shù)字技術(shù)對(duì)陶瓷元器件提出了一系列特殊的要求。為了滿足這些要求，世界各國(guó)的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在新材料、新工藝、新產(chǎn)品方面投入巨資進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。
新型電子陶瓷材料發(fā)展趨勢(shì)
新型電子陶瓷元器件及相關(guān)材料的發(fā)展趨勢(shì)和方向主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1.小型化與微型化
隨著移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信的迅速發(fā)展，對(duì)器件小型化、微型化的要求越來(lái)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(lèi)無(wú)源元器件，是實(shí)現(xiàn)整機(jī)小型化、微型化的主要瓶頸。因此，小型化、微型化(包括片式化)是目前元器件研究開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要目標(biāo)，市場(chǎng)需求也非常旺盛。以片式電容器為例，2004年多層陶瓷電容器(MLCC)的全球市場(chǎng)已達(dá)8000億只，并且以每年20%的速度遞增，表現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。從技術(shù)方面看，MLCC正向著微型化、介質(zhì)薄層化、大容量、高可靠和電極賤金屬化(低成本)的方向發(fā)展。片式元
件的尺寸已由1206和0805為主，發(fā)展為0603和0402，并進(jìn)而向0201和01005發(fā)展；介質(zhì)單層厚度由原來(lái)的10微米以上減小到5微米、3微米，甚至到1微米；介質(zhì)層數(shù)也由幾十層發(fā)展到幾百層。同樣，其他功能陶瓷元器件也正向著片式化和微型化方向發(fā)展，如多層壓電陶瓷變壓器、片式電感類(lèi)器件、片式壓敏電阻、片式多層熱敏電阻等。這些片式化功能陶瓷元器件占據(jù)了當(dāng)前電子陶瓷無(wú)源元器件的主要市場(chǎng)。從材料角度而言，實(shí)現(xiàn)小型化、微型化的基礎(chǔ)在于提高陶瓷材料的性能和發(fā)展陶瓷納米晶技術(shù)和相關(guān)工藝，因此，發(fā)展高性能功能陶瓷材料及其先進(jìn)制備技術(shù)是功能陶瓷的重要研究課題。
2.高頻化與頻率系列化
高頻化是數(shù)字3C產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢(shì)。以移動(dòng)通信為例，以模擬信號(hào)為主要特征的第一代移動(dòng)通信所用的頻段在800MHz-900MHz之間，以數(shù)字信號(hào)為主要特征的第二代移動(dòng)通信所用的頻段則在900MHz和1.8GHz左右，目前正在研究的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率則在2GHz左右。
對(duì)各類(lèi)電子元器件中的陶瓷材料來(lái)說(shuō)，如何適應(yīng)高的工作頻率是一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，尋找具有良好高頻特性以及系列化工作頻率的功能陶瓷材料，是目前新型電子元器件領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，微波介質(zhì)陶瓷材料及新型微波器件是其中重要的研究課題。微波介質(zhì)陶瓷指適合于微波應(yīng)用的低損耗、溫度穩(wěn)定的電介質(zhì)陶瓷材料，廣泛應(yīng)用于微波諧振器、濾波器、移相器、微波電容器以及微波基板等，是移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、藍(lán)牙技術(shù)以及無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)等現(xiàn)代微波通信技術(shù)的關(guān)鍵材料。
自上世紀(jì)80年代初微波介質(zhì)諧振器的實(shí)用化實(shí)現(xiàn)突破以來(lái)，已研究開(kāi)發(fā)出了多種實(shí)用化微波介質(zhì)陶瓷材料，從而大大促進(jìn)了現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展與普及。尋求高介電常數(shù)、高品質(zhì)因數(shù)、低頻率溫度系數(shù)仍然是當(dāng)前微波介質(zhì)陶瓷材料研究的重點(diǎn)。為適應(yīng)通信終端設(shè)備小型化和便攜化的發(fā)展需求，發(fā)展新型片式化微波器件，如片式濾波器、片式諧振器、片式天線等，已引起業(yè)界的廣泛關(guān)注。
3.集成化與模塊化
當(dāng)前，手機(jī)和筆記本電腦進(jìn)一步向便捷化、多功能化、全數(shù)字化和高集成化及低成本方向發(fā)展，極大地推動(dòng)了電子元器件的片式化、小型化和低成本及器件組合化、功能集成化的發(fā)展進(jìn)程。
以手機(jī)為例，目前每個(gè)手機(jī)中約有250個(gè)-300個(gè)無(wú)源電子元件，因此無(wú)源電子元件的小型化對(duì)手機(jī)產(chǎn)品的輕便化起決定性作用，這一需求極大地推動(dòng)了無(wú)源電子陶瓷片式元件的小型化、集成化進(jìn)程。為減小整機(jī)的尺寸，采用多元復(fù)合、集成化無(wú)源元件，提高安裝密度，將是一種最有效的途徑。因此，多層復(fù)合功能陶瓷及元器件正由分離式元件向復(fù)合化多元組件發(fā)展，并最終向無(wú)源器件的集成化趨勢(shì)發(fā)展。
集成化功能陶瓷元器件是以低溫共燒陶瓷(LTCC)為平臺(tái)，采用多層陶瓷技術(shù)將電容、電感和電阻材料嵌入集成在低溫共燒陶瓷基板中，形成無(wú)源集成陶瓷器件。
目前，基于LTCC技術(shù)的功能陶瓷集成器件已開(kāi)始應(yīng)用于移動(dòng)通信終端設(shè)備中，如片式多層LC濾波器、片式微帶濾波器、多層天線等已開(kāi)始在手機(jī)中獲得應(yīng)用，而一些功能集成模塊如收發(fā)前端模塊、功率模塊和藍(lán)牙模塊等也已開(kāi)發(fā)成功，并將在3G手機(jī)中得到推廣應(yīng)用。
LTCC的多功能模塊的巨大市場(chǎng)前景，使其成為眾多企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，很多國(guó)際著名的無(wú)源電子元器件的生產(chǎn)企業(yè)紛紛進(jìn)入這一領(lǐng)域，如日本的村田、TDK、太陽(yáng)誘電，美國(guó)的Johanson Technology公司等。目前多家公司都宣稱已開(kāi)發(fā)成功包括LTCC微帶濾波器、多層天線、復(fù)用器、不平衡變壓器以及射頻前端開(kāi)關(guān)模塊、功放模塊和藍(lán)牙模塊等在內(nèi)的集成化無(wú)源元件和模塊。這些器件應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括各種制式的手機(jī)、藍(lán)牙模塊、GPS、數(shù)碼相機(jī)、WLAN、汽車(chē)電子等，其中，手機(jī)的用量占據(jù)主要部分，約占80%以上。
國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域還處于起步階段，尚未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。從技術(shù)角度而言，實(shí)現(xiàn)陶瓷集成的關(guān)鍵在于發(fā)展性能優(yōu)異的低溫共燒陶瓷材料以及先進(jìn)的異質(zhì)材料共燒技術(shù)，這已成為當(dāng)前信息功能陶瓷領(lǐng)域重要的研究方向。
4.無(wú)鉛化與環(huán)境協(xié)調(diào)性
近年來(lái)，隨著環(huán)境保護(hù)和人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需求，研發(fā)新型環(huán)境友好的鐵電壓電陶瓷已成為發(fā)達(dá)國(guó)家致力研發(fā)的熱點(diǎn)材料之一。2001年歐州議會(huì)通過(guò)了關(guān)于"電器和電子設(shè)備中限制有害物質(zhì)"的法令，并定于2008年實(shí)施，其中被限制使用的物質(zhì)就包括含鉛的壓電器件。
作為重要的功能材料，壓電陶瓷在電子材料領(lǐng)域占據(jù)相當(dāng)大的比重。近幾年來(lái)，壓電陶瓷在全球每年的銷(xiāo)售量按15%左右的速度增長(zhǎng)。
隨著電子整機(jī)向數(shù)字化、高頻化、多功能化和薄、輕、小、便攜式的方向發(fā)展，壓電陶瓷器件也在向片式化、多層化和微型化方向發(fā)展。近年來(lái)，包括多層壓電變壓器、多層壓電驅(qū)動(dòng)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一些新型壓電陶瓷器件不斷被研制出來(lái)，并廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)和信息領(lǐng)域。目前所用的壓電陶瓷材料大多是基于鋯鈦酸鉛的含鉛材料體系，發(fā)展非鉛系的環(huán)境協(xié)調(diào)性的壓電鐵電陶瓷是一項(xiàng)緊迫且具有重大實(shí)用意義的課題。
由此可見(jiàn)，信息技術(shù)的發(fā)展向功能陶瓷材料提出了一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)也為功能陶瓷的研究和發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇。面向21世紀(jì)我國(guó)3C產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，為建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型信息高技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系，必須大力加強(qiáng)信息功能陶瓷及元器件的創(chuàng)新性研究和開(kāi)發(fā)工作，整體提升我國(guó)3C產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
