我国电子陶瓷技术发展的战略思考

周济 ,  李龙土 ,  熊小雨

中国工程科学 ›› 2020, Vol. 22 ›› Issue (5) : 20 -27.

PDF (1325KB)
中国工程科学 ›› 2020, Vol. 22 ›› Issue (5) : 20 -27. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2020.05.003
新材料强国2035战略研究

我国电子陶瓷技术发展的战略思考

作者信息 +

Strategic Thinking on the Development of Electronic Ceramic Technology in China

Author information +
文章历史 +
PDF (1356K)

摘要

电子陶瓷作为一类重要的战略新材料，是无源电子元件的核心材料，也是电子信息技术领域重要的技术前沿。随着电子信息技术日益走向集成化、智能化和微型化，无源电子元件日益成为电子元器件技术的发展瓶颈，电子陶瓷材料及其制备加工技术的战略地位日益凸显。我国电子陶瓷材料和元件领域已形成了很好的产业技术基础，但在高端材料和元器件方面的竞争力依然不足，一些关键材料技术、工艺技术及设备技术受制于人。研究认为：面对新形势，亟待加大研发投入，理顺体制机制，强化产业链的自主可控和自主创新。

Abstract

Electronic ceramics are a type of new materials of strategic significance. They are the core materials of passive electronic components and an important technology frontier in the electronic information technology field. As the electronic information technology develops toward integration, intelligence, and miniaturization, passive electronic components have become a bottleneck restraining the development of electronic component technology. Therefore, the strategic position of electronic ceramic materials and their processing technologies is increasingly prominent. The field of electronic ceramic materials and components has formed a good industrial technology foundation in China. However, its competitiveness is still insufficient in high-end materials and components, and some key material, process, and equipment technologies are controlled by other countries. Facing the new situation, it is urgent to increase R & D investment, rationalize the system and mechanism, and strengthen the independence and innovation of the industrial chain.

关键词

电子陶瓷 / 无源电子元件 / 高端材料

Key words

电子陶瓷 / 无源电子元件 / 高端材料 / electronic ceramics / passive electronic components / high-end materials

引用本文

引用格式 ▾
周济,李龙土,熊小雨. 我国电子陶瓷技术发展的战略思考[J]. 中国工程科学, 2020, 22(5): 20-27 DOI:10.15302/J-SSCAE-2020.05.003

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

一、前言

电子陶瓷是无源电子元件的核心材料，是电子信息技术的重要材料基础。近年来，随着电子信息技术日益走向集成化、薄型化、智能化和微型化，以半导体技术为基础的有源器件和集成电路迅速发展，而无源电子元件日益成为电子元器件技术的发展瓶颈，因此电子陶瓷材料及其制备加工技术越来越成为制约电子信息技术发展的重要核心技术之一 [1~3]。

我国是无源电子元件大国，从产品产量上看，无源元件的产量占到了全球的 40% 以上；但不是强国，元件产值不足全球产值的四分之一，高端元件大量依赖进口 [4,5]。电子陶瓷材料及技术是制约高端元件发展的重要因素之一。从战略高度研判国内外电子陶瓷材料与元器件技术的发展现状，分析我国相关领域的问题及对策，对于推动我国高端电子元器件产业的发展具有重要意义。

二、国际电子陶瓷产业技术发展现状与趋势

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 [2]。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。

（一）多层陶瓷电容器（MLCC）产业

电子陶瓷的主要应用领域是无源电子元件。 MLCC 是目前用量最大的无源元件之一，主要用于各类电子整机中的振荡、耦合、滤波旁路电路中，其应用领域涉及自动仪表、数字家电、汽车电器、通信、计算机等行业。MLCC 在国际电子制造业中占据越来越重要的位置，尤其是随着消费类电子产品、通信、电脑、网络、汽车、工业和国防终端客户的需求日益增多，全球市场达到百亿美元，并以每年 10%~15% 的速度增长。自 2017 年以来，由于供求关系所致，MLCC 产品发生了若干次涨价潮。日本是 MLCC 的生产大国，日本的村田（nuRata）、京瓷株式会社（KYOCERA）、太阳诱电株式会社（TAIYO YUDEN）、TDK-EPC，韩国的三星电机有限公司（SEMCO）和我国台湾地区的华新科技股份有限公司、国巨股份有限公司等都是全球著名的 MLCC 生产企业。MLCC 的主流发展趋势是小型化、大容量、薄层化、贱金属化、高可靠性，其中内电极贱金属化相关技术在近年来发展最为迅速，采用贱金属内电极是降低 MLCC 成本的最有效途径，而实现贱金属化的关键技术是发展高性能抗还原钛酸钡瓷料。日本在 21 世纪初就已经完成了此项技术的开发，并一直保持世界领先，目前其大容量 MLCC 全部实现了贱金属化。尺寸的小型化一直是 MLCC 发展的主要趋势，随着电子设备日益向小型化和便携式方向发展，产品更新换代迅速，小型化产品需求强烈，如图 1 所示。实现小型化元器件的基本材料技术是陶瓷介质层的薄型化技术。当前日本企业处于国际领先地位，其生产的 MLCC 单层厚度已达 1 µm，其中，处于顶级地位的日本村田和太阳诱电株式会社的研发水平已达到 0.3 µm。介质薄层化的基础是介质材料的微细化。在大容量薄层化 MLCC 元件单层厚度逐渐减小的同时，为保证元件的可靠性，钛酸钡作为 MLCC 陶瓷介质的主晶相，其颗粒尺寸需要从 200~300 nm 进一步细化到 80~150 nm。未来的发展趋势是制备出颗粒尺寸 150 nm 的钛酸钡材料作为 MLCC 介质层的主晶相材料。

图 2 电子陶瓷发展路线图

（三）重点发展方向

1. 新一代电子陶瓷元件与材料

重点突破量大面广的无源电子元件，如 MLCC、片式电感器、陶瓷滤波器的器件所需的高端电子陶瓷材料技术，发展出拥有自主知识产权的材料配方和规模化生产技术，形成稳定的生产规模。重点突破高端电子陶瓷元件中材料精密成型和加工的关键工艺技术和装备，保证薄型化多层陶瓷技术所需的关键纳米陶瓷材料的自主稳定供应，形成无源集成关键设备的自主研发和生产能力。

（1）高性能、低成本 MLCC 材料与元件。加强高性能抗还原陶瓷介质粉体材料及规模化生产；重点研发薄型化功能陶瓷成型技术与装备，纳米晶陶瓷烧结技术，超薄型多层陶瓷结构内电极技术等。

（2）新型片式感性元件与关键材料。加强高性能低温烧结铁氧体及低介低损耗陶瓷介质粉体材料及规模化生产；研发多层陶瓷精密互联技术及其装备，小型化微波段片式电感器布线设计技术等。

（3）高性能多层片式敏感元件与材料。重点研究高性能片式热敏、气敏、湿敏、压敏、光敏陶瓷规模化生产技术，微纳尺度多层片式敏感陶瓷传感器制备工艺技术与表征技术等。

（4）高性能压电陶瓷材料。重点研究压电陶瓷材料净尺寸成型与加工及其产业化技术，压电微型电源应用的高性能多层压电材料制备及产业化技术，高性能多层无铅压电陶瓷材料和新型元件可工程化和产业化的先进制备技术。

（5）新一代电磁波介质陶瓷材料。面向 5G/6G 通信技术的新型电磁波介质材料，重点研究片式高频低损耗微波介质陶瓷及其规模化生产技术，片式高性能低成本复合电磁波介质陶瓷及其基础材料的规模化生产技术及装备，人工片式电磁波介质的设计、制备与规模化生产技术。

2. 无源集成模块及关键材料与技术

无源集成技术得以进入实用化和产业化阶段，很大程度上取决于 LTCC 技术的突破。目前，虽然开发出了一些各具优势的无源集成技术，但是主流技术仍以 LTCC 为主。一方面，优化材料 LTCC 性能及制备方法，提高在国际高端应用中的占比；另一方面，兼顾其他几类无源集成技术，研究开发相应的关键材料、关键技术和重要模块。

（1）系列化 LTCC 用电磁介质材料的研究。重点研究具有系列化介电常数和磁导率、满足 LTCC 性能和工艺要求的陶瓷材料粉体和生产带，形成我国在 LTCC 材料领域的自主知识产权。

（2）无源集成模块的关键制备工艺研究。重点研究无源集成模块制备的若干关键性工艺过程，如厚膜与薄膜制备工艺、微孔成孔与注浆工艺、精密导体浆料印刷工艺、陶瓷共烧工艺等。

（3）无源集成模块设计与测试方法。研究内容包括无源集成模块设计软件的开发，新型无源集成结构特性的模拟与仿真，高集成度无源集成模块的设计，以及无源集成模块的测试技术等。

七、政策建议

我国电子陶瓷材料和元件领域已形成了很好的产业技术基础，但是电子陶瓷作为一类重要战略新材料，其在高端电子陶瓷领域的强壮发展仍受到一些关键材料技术、工艺技术及设备技术的制约。为实现我国高端电子陶瓷产业的引领发展，亟待强化顶层统筹规划。

（1）将无源元件及关键电子陶瓷材料及无源电子元件纳入国家半导体产业发展战略布局中统筹考虑，在国家支持微电子产业的重大研发计划中设立无源元件专项，将国家支持芯片产业发展的各种优惠政策扩展到电子陶瓷及无源电子元件行业。

（2）增加研究人员和资金投入，总体上强化研发力量，加强各研究单位直接的联系和交流协作，开创一个以新材料研究为基础，又有较强器件应用研究背景与研究能力的综合研究开发体；建立能将成果及时、有效转化和具体实现“产学研”相结合的有效机制。

（3）统筹规划电子陶瓷材料与元器件产业链上下游企业，强化原材料供应链以保证高纯、高稳定性电子陶瓷前驱体的供应，大力开展高端工艺装备的研发，加强无源元件和整机产业设计的自主创新，加强相关标准的建设。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Moulson A J, Herbert J M. Electroceramics: materials, properties, applications [M]. England: Wiley, 2003.
[2]

南策文, 李龙土, 姚熹, 信息功能陶瓷研究的新进展与挑战 [J]. 中国材料进展, 2010 (8): 30–36. Nan C W, Li L T, Yao X, et al. New progress and challenges of information functional ceramics research [J]. Materials China, 2010 (8): 30–36.
[3]

周济. 我国电子元件及材料研究发展的挑战与机遇 [J]. 电子元 件与材料, 2007, 26(1): 1–3. Zhou J. Challenge and opportunity for the R&D of electronic components and their key materials in China [J]. Electronic Components and Materials, 2007, 26(1): 1–3.
[4]

中国电子元件行业协会. 中国电子元件行业“十三五”发展规划 [R]. 北京: 中国电子元件行业协会, 2017. China Electronic Components Association.13th Five-Year development plan for electronic components [R]. Beijing: China Electronic Components Association, 2017.
[5]

王本立, 王兴艳. 全球电子陶瓷产业发展概况 [J]. 新材料产 业, 2016 (1): 9–12. Wang B L, Wang X Y. Overview of the development of the global electronic ceramic industry [J]. Advanced Materials Industry, 2016 (1): 9–12.
[6]

Electronic Components Distribution. MLCC market update [EB/ OL]. (2018-07-12) [2020-05-18]. https://www.tti.com/content/ dam/MarketEYE/assets/MLCC%20TTI%20Supply%20Chain%20 Presentation.pdf.
[7]

代建清 . 材料科学前沿之功能陶瓷 [EB/OL]. (2018-03-09) [2020-05-18]. https://www.docin.com/p-2089576908.html. Dai J Q. Functional ceramics of frontiers of materials science [EB/OL]. (2018-03-09)[2020-05-18]. https://www.docin.com/ p-2089576908.html.

基金资助

中国工程院咨询项目“新材料强国2035 战略研究”(2018-ZD-03)()

AI Summary AI Mindmap
PDF (1325KB)

8750

访问

0

被引

详细
导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉