[科普中國(guó)]-電子陶瓷

電子陶瓷（electronic ceramic），是指在電子工業(yè)中能夠利用電、磁性質(zhì)的陶瓷。電子陶瓷是通過(guò)對(duì)表面、晶界和尺寸結(jié)構(gòu)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應(yīng)用。

簡(jiǎn)介廣泛用于制作電子功能元件的、多數(shù)以氧化物為主成分的燒結(jié)體材料。電子陶瓷的制造工藝與傳統(tǒng)的陶瓷工藝大致相同。

電子陶瓷或稱電子工業(yè)用陶瓷，它在化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)電性能上，均與一般的電力用陶瓷有著本質(zhì)的區(qū)別。這些區(qū)別是電子工業(yè)對(duì)電子陶瓷所提出的一系列特殊技術(shù)要求而形成的，其中最重要的是須具有高的機(jī)械強(qiáng)度，耐高溫高濕，抗輻射，介質(zhì)常數(shù)在很寬的范圍內(nèi)變化，介質(zhì)損耗角正切值小，電容量溫度系數(shù)可以調(diào)整（或電容量變化率可調(diào)整）．抗電強(qiáng)度和絕緣電阻值高，以及老化性能優(yōu)異等。

發(fā)展過(guò)程電子陶瓷材料的發(fā)展，同物理化學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)、硅酸鹽物理化學(xué)、固體物理學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、無(wú)線電電子學(xué)等的發(fā)展密切相關(guān)，它們相互促進(jìn)，從而在電子技術(shù)的飛躍發(fā)展中，使電子陶瓷也相應(yīng)地取得了很大進(jìn)展。

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(dǎo)體陶瓷和離子陶瓷。

絕緣裝置瓷簡(jiǎn)稱裝置瓷，具有優(yōu)良的電絕緣性能，用作電子設(shè)備和器件中的結(jié)構(gòu)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(kāi)關(guān)、電容器支柱支架、集成電路基片和封裝外殼等。對(duì)這類瓷的基本要求是介電常數(shù)ε低，介質(zhì)損耗tanδ小，絕緣電阻率ρ高，擊穿強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。

在這類陶瓷中以滑石瓷和氧化鋁瓷應(yīng)用最廣。它們的主晶相成分分別為 及 ?；傻碾娊^緣性優(yōu)良且成本較低，是用于射電頻段內(nèi)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(qiáng)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。在一些要求極高的集成電路中，甚至還使用三氧化二鋁含量達(dá)99.9%的純剛玉瓷，其性質(zhì)與藍(lán)寶石單晶相近。高鋁氧瓷，尤其是純剛玉瓷的缺點(diǎn)是制造困難，燒成溫度高、價(jià)格貴。

裝置瓷中還有一類以氧化鈹 (BeO）為代表的高熱導(dǎo)瓷。含 BeO95%的氧化鈹瓷的室溫導(dǎo)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(jī)械強(qiáng)度。其缺點(diǎn)是BeO原料的毒性很大，瓷料燒成溫度高，因而限制了它的應(yīng)用。氮化硼 (BN）瓷和氮化鋁（AlN）瓷也屬于高熱導(dǎo)瓷，其導(dǎo)熱性雖不及氧化鈹瓷，但無(wú)毒，加工性能和介電性能均好，可供高頻大功率晶體管和大規(guī)模集成電路中作散熱及絕緣用。

研制出一類以SiC為基料，摻入少量BeO等雜質(zhì)的熱壓陶瓷。這種陶瓷絕緣性能優(yōu)良，熱導(dǎo)率高于純度為99%的氧化鈹瓷。它的熱膨脹系數(shù)與硅單晶可在寬溫度范圍內(nèi)接近一致，可望在功率耗散較大的大規(guī)模集成電路中得到應(yīng)用。

用作碳膜和金屬膜電阻器基體的低堿長(zhǎng)石瓷也是一類重要而價(jià)廉的裝置瓷，但其介質(zhì)損耗較大，不宜在高頻下使用。

電容器瓷用作電容器介質(zhì)的電子陶瓷。這類陶瓷用量最大、規(guī)格品種也最多。主要的有高頻、低頻電容器瓷和半導(dǎo)體電容器瓷。

高頻電容器瓷 屬于Ⅰ類電容器瓷，主要用于制造高頻電路中的高穩(wěn)定性陶瓷電容器和溫度補(bǔ)償電容器。構(gòu)成這類陶瓷的主要成分大多是堿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(shù)、介質(zhì)損耗角正切 tanδ和介電溫度系數(shù)αε的高頻電容器瓷料，用以滿足各種溫度補(bǔ)償?shù)男枰１碇械乃拟佀徜^瓷不僅是一種熱穩(wěn)定性高的電容器介質(zhì)，而且還是一種優(yōu)良的微波介質(zhì)材料。

低頻電容器瓷 屬于Ⅱ類電容器瓷，主要用于制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(diǎn)是介電常數(shù)ε 高，損耗角正切較大且tanδ及ε隨溫度的變化率較大。這類陶瓷中應(yīng)用最多的是以鐵電鈦酸鋇（BaTiO3）為主成分，通過(guò)摻雜改性而得到的高ε（室溫下可達(dá)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?zé)Y(jié)型低頻獨(dú)石電容器瓷料，也是重要的低頻電容器瓷。

半導(dǎo)體電容器瓷 利用半導(dǎo)體化的陶瓷外表面或晶粒間的內(nèi)表面（晶界）上形成的絕緣層為電容器介質(zhì)的電子陶瓷。其中利用陶瓷晶界層的介電性質(zhì)而制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(shù)極高（可達(dá) 105以上）、介質(zhì)損耗?。ㄐ∮?%）、體電阻率高（高于 1011歐·厘米）、介質(zhì)色散頻率高（高于1吉赫）、抗潮性好，是一種高性能、高穩(wěn)定的電容器介質(zhì)。 鐵電陶瓷 以鐵電性晶體為主晶相的電子陶瓷。已發(fā)現(xiàn)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(zhǔn)鈣鈦礦型的鐵電晶體或固溶體。 在一定的溫度范圍內(nèi)晶體中存在著可隨外加電場(chǎng)而轉(zhuǎn)變方向的自發(fā)極化，這就是晶體的鐵電性。當(dāng)溫度超過(guò)某一臨界值──居里溫度TC時(shí)，其極化強(qiáng)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(shí)，晶體發(fā)生鐵電相到順電相的相變。鐵電體的極化強(qiáng)度還隨電場(chǎng)而劇烈變化。

電子陶瓷

鐵電體的重要微觀特征是具有電疇結(jié)構(gòu)，即鐵電體具有許多沿特定方向自發(fā)極化到飽和的小區(qū)域──電疇。這些取向不同的電疇以疇壁分開(kāi)。在相當(dāng)強(qiáng)的外電場(chǎng)作用下，這種多疇晶體可以被電場(chǎng)強(qiáng)迫取向而單疇化。這種電疇隨外電場(chǎng)而反轉(zhuǎn)取向的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，包括疇壁的運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及新疇成核和成長(zhǎng)的過(guò)程。

鐵電陶瓷功能多、用途廣。利用其壓電特性可以制成壓電器件，這是鐵電陶瓷的主要應(yīng)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(shí)，因極化強(qiáng)度的變化而在鐵電體表面釋放電荷的效應(yīng)）可以制成紅外探測(cè)器件，在測(cè)溫、控溫、遙測(cè)、遙感以至生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用價(jià)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(qiáng)電光效應(yīng)（通過(guò)外加電場(chǎng)對(duì)透明鐵電陶瓷電疇狀態(tài)的控制而改變其光學(xué)性質(zhì)，從而表現(xiàn)出電控雙折射和電控光散射的效應(yīng)），可以制成激光調(diào)制器、光電顯示器、光信息存儲(chǔ)器、光開(kāi)關(guān)、光電傳感器、圖像存儲(chǔ)和顯示器，以及激光或核輻射防護(hù)鏡等新型器件。

半導(dǎo)體陶瓷通過(guò)半導(dǎo)體化措施使陶瓷具有半導(dǎo)電性晶粒和絕緣性（或半導(dǎo)體性）晶界，從而呈現(xiàn)很強(qiáng)的界面勢(shì)壘等半導(dǎo)體特性的電子陶瓷。

陶瓷半導(dǎo)體化的方法主要有強(qiáng)制還原法和施主摻雜法（亦稱原子價(jià)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(dǎo)電電子，使陶瓷中的晶粒成為某種類型（通常是 N型）的半導(dǎo)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(dǎo)體層。

半導(dǎo)體陶瓷種類很多，其中包括利用半導(dǎo)體瓷中晶粒本身性質(zhì)制成的各種負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻；利用晶界性質(zhì)制成的半導(dǎo)體電容器、ZnO 壓敏電阻器、BaTiO3系正溫度系數(shù)熱敏電阻器、CdS/Cu2S太陽(yáng)能電池；以及利用表面性質(zhì)制成的各種陶瓷型濕敏電阻器和氣敏電阻器等。表2列出典型的傳感器用半導(dǎo)體陶瓷。

CdS/Cu2S系光電陶瓷不同于上表所列的利用絕緣晶界層性質(zhì)的半導(dǎo)體瓷，它所利用的是N型CdS與P型Cu2S晶界層之間的PN異質(zhì)結(jié)的光伏效應(yīng)。用它制成的陶瓷太陽(yáng)能電池，可以作為無(wú)人值守臺(tái)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(dǎo)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(dǎo)率可達(dá)0.1/（歐·厘米），可用來(lái)制作較經(jīng)濟(jì)的高比率能量的固體電池，還可制作緩慢放電的高儲(chǔ)能密度的電容器。它是有助于解決能源問(wèn)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(jié)構(gòu)和原子價(jià)鍵特性及其相互關(guān)系，以改善電子陶瓷的性能；

②研究制造超微粉粒和超純粉粒以及成型、燒結(jié)等工藝，以改善電子陶瓷的制造技術(shù)；

③探討陶瓷中可能存在的各種物理效應(yīng)，發(fā)展新型功能材料及多功能材料；

④應(yīng)用復(fù)合材料的理論和技術(shù)，研究以陶瓷為主體的結(jié)構(gòu)復(fù)合、物理復(fù)合和功能復(fù)合的材料；

⑤應(yīng)用表面分析、能譜分析和計(jì)算機(jī)模擬等技術(shù)，研究陶瓷中晶粒間界面的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等。

應(yīng)用前景電絕緣陶瓷的應(yīng)用前景

電絕緣陶瓷因具備導(dǎo)熱性良好、電導(dǎo)率低、介電常數(shù)小、介電損耗低、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，被廣泛應(yīng)用于金屬熔液的浴槽、熔融鹽類容器、封裝材料、集成電路基板、電解槽襯里、金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體、主動(dòng)裝甲材料、散熱片以及高溫爐的發(fā)熱件中。在電子、電力工業(yè)中，絕緣陶瓷比如電力設(shè)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集成電路基片等主要是用于電器件的安裝、保護(hù)、支撐、絕緣、連接和隔離。

由于陶瓷的絕緣性主要由晶界相決定，為了提高絕緣性，應(yīng)盡量避免堿金屬氧化物的存在，而且玻璃相應(yīng)盡量是硼玻璃、鋁硅玻璃或硅玻璃。一般來(lái)說(shuō)，陶瓷內(nèi)部氣孔對(duì)絕緣性影響不大，但陶瓷表面的氣孔會(huì)因被污染或吸附水而使表面絕緣性變差，所以絕緣陶瓷應(yīng)選擇無(wú)吸水性，氣孔少的致密材料。

介電陶瓷的應(yīng)用前景

介電陶瓷因具有高強(qiáng)度、介電損耗低、耐熱性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于集成電路基板的制造材料。比如氧化鈹、氧化鋁、氮化鋁及碳化硅等可普遍作為集成電路基板的陶瓷材料，其中氧化鈹因制造工藝復(fù)雜、毒性大及成本高等原因限制了它的使用；而碳化硅的導(dǎo)熱性雖然優(yōu)于氧化鋁，且通過(guò)熱壓方法制成的高性能基板，在200攝氏度左右時(shí)其性能仍能滿足實(shí)用要求，但由于熱壓燒結(jié)工藝復(fù)雜及添加劑有毒，也限制了它的發(fā)展；氮化鋁的其他電性能雖然和氧化鋁陶瓷大致相當(dāng)，但其熱傳導(dǎo)率卻是氧化鋁瓷的10倍左右，所以極有可能成為超大規(guī)模集成電路的下一代優(yōu)質(zhì)基板材料。

電絕緣陶瓷因具備導(dǎo)熱性良好、電導(dǎo)率低、介電常數(shù)小、介電損耗低、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，被廣泛應(yīng)用于金屬熔液的浴槽、熔融鹽類容器、封裝材料、集成電路基板、電解槽襯里、金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體、主動(dòng)裝甲材料、散熱片以及高溫爐的發(fā)熱件中。在電子、電力工業(yè)中，絕緣陶瓷比如電力設(shè)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集成電路基片等主要是用于電器件的安裝、保護(hù)、支撐、絕緣、連接和隔離。由于陶瓷的絕緣性主要由晶界相決定，為了提高絕緣性，應(yīng)盡量避免堿金屬氧化物的存在，而且玻璃相應(yīng)盡量是硼玻璃、鋁硅玻璃或硅玻璃。一般來(lái)說(shuō)，陶瓷內(nèi)部氣孔對(duì)絕緣性影響不大，但陶瓷表面的氣孔會(huì)因被污染或吸附水而使表面絕緣性變差，所以絕緣陶瓷應(yīng)選擇無(wú)吸水性，氣孔少的致密材料。

介電陶瓷的應(yīng)用前景

介電陶瓷因具有高強(qiáng)度、介電損耗低、耐熱性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于集成電路基板的制造材料。比如氧化鈹、氧化鋁、氮化鋁及碳化硅等可普遍作為集成電路基板的陶瓷材料，其中氧化鈹因制造工藝復(fù)雜、毒性大及成本高等原因限制了它的使用；而碳化硅的導(dǎo)熱性雖然優(yōu)于氧化鋁，且通過(guò)熱壓方法制成的高性能基板，在200。C左右時(shí)其性能仍能滿足實(shí)用要求，但由于熱壓燒結(jié)工藝復(fù)雜及添加劑有毒，也限制了它的發(fā)展；氮化鋁的其他電性能雖然和氧化鋁陶瓷大致相當(dāng)，但其熱傳導(dǎo)率卻是氧化鋁瓷的10倍左右，所以極有可能成為超大規(guī)模集成電路的下一代優(yōu)質(zhì)基板材料。

發(fā)展趨勢(shì)技術(shù)集成化在原有工藝的基礎(chǔ)上，電子陶瓷材料制備技術(shù)的開(kāi)發(fā)也結(jié)合了現(xiàn)代新型工藝的復(fù)合工藝。其中，多種技術(shù)的集成化是電子陶瓷材料制備技術(shù)的新發(fā)展趨勢(shì)，比如納米陶瓷制備技術(shù)及納米級(jí)陶瓷原料、快速成形及燒結(jié)技術(shù)、濕化學(xué)合成技術(shù)等都為開(kāi)發(fā)高性能電子陶瓷材料打下了基礎(chǔ)。隨著多功能化、高集成化、全數(shù)字化和低成本方向發(fā)展，很大程度上推動(dòng)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(fā)展進(jìn)程。

功能復(fù)合化在激烈的信息市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)中，單一性能的電子陶瓷器件逐漸失去了競(jìng)爭(zhēng)力，利用陶瓷、半導(dǎo)體及金屬結(jié)合起來(lái)的復(fù)合電子陶瓷是開(kāi)發(fā)各種電子元器件的基礎(chǔ)，它是發(fā)展智能材料和機(jī)敏材料的有效途徑，同時(shí)也為器件與材料的一體化提供重要的技術(shù)支持。

結(jié)構(gòu)微型化目前，電子陶瓷材料與微觀領(lǐng)域的聯(lián)系不斷深入，其研究范圍也正在延伸。基于電子陶瓷的微型化和高性能正在不斷出現(xiàn)，比如在微型化技術(shù)和陶瓷的薄膜化的聯(lián)合運(yùn)用以生產(chǎn)用于信息控制的高效微裝置，電子陶瓷機(jī)構(gòu)和裝置尺寸減小的趨勢(shì)是得益于微型化技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的。目前元器件研究開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要目標(biāo)是微型化、小型化，其市場(chǎng)需求也非常大；片式化功能陶瓷元器件占據(jù)了當(dāng)前電子陶瓷無(wú)元器件的主要市場(chǎng)；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(shí)現(xiàn)小型化、微型化的話，從材料角度而言，在于提高陶瓷材料的性能和發(fā)展陶瓷納米技術(shù)和相關(guān)工藝，所以發(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。

環(huán)保無(wú)害化

近年來(lái)，隨著人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)的需求，發(fā)達(dá)國(guó)家致力研發(fā)的熱點(diǎn)材料之一就是新型環(huán)境友好的電子陶瓷。作為重要的功能材料，被廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)和信息領(lǐng)域的新型壓電陶瓷，比如多層壓電變壓器、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器件也不斷被研制出來(lái)1。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

宋春霖 - 副教授 - 江南大學(xué)