3C融合對功能陶瓷提出挑戰(zhàn)

　　集計算機、通信、消費類電子于一體的數(shù)字3C產品近年來得到了快速發(fā)展，3C融合產品已成為今后重要的發(fā)展方向。據(jù)預測，3C融合將創(chuàng)造出一個高達4000億美元的產業(yè)。3C產業(yè)的高速發(fā)展，極大地推動著電子基礎產品和元器件的同步協(xié)調發(fā)展，也對電子元器件的基礎材料———信息功能陶瓷提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，同時也提供了良好的發(fā)展機遇。

　　功能陶瓷是指以電、磁、光、聲、熱、力、化學和生物等信息的檢測、轉換、耦合、傳輸及存儲等功能為主要特征的陶瓷材料，主要包括鐵電、壓電、介電、半導體、超導和磁性陶瓷等。功能陶瓷在信息的檢測、轉化、處理和存儲顯示中應用廣泛，是信息技術中基礎元器件的關鍵材料，對發(fā)展電子信息產業(yè)等許多高科技產業(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品中占有十分重要的地位，世界各國元器件生產企業(yè)都在電子陶瓷及其元器件的新產品、新技術、新工藝、新材料、新設備方面投入巨資進行研究開發(fā)。高投入的研發(fā)使得電子陶瓷及元器件成為一個創(chuàng)新活躍、競爭激烈的領域，每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件問世。

　　近些年來，在國家諸多重點科研計劃的支持和推動下，我國在功能陶瓷材料的科學研究與產業(yè)化方面有了很大發(fā)展，但總體來看，我國的電子信息產業(yè)，特別是一些附加價值高、技術含量高的新型電子信息產品和一些基礎電子產品的生產水平與發(fā)達國家相比仍存在很大差距，不少高端產品在相當大的程度上被外資企業(yè)所控制。國外大公司如村田、松下、京都陶瓷、摩托羅拉等近年來長驅直入中國市場，目前已占據(jù)了國內片式元器件特別是高檔片式元器件市場相當大的份額。我國信息產業(yè)正面臨著產品升級換代的機遇和挑戰(zhàn)。

　　近年來，隨著電子信息技術的高速發(fā)展，以信息技術為應用領域的功能陶瓷成為新材料研究中十分活躍的領域。而其應用領域正在從傳統(tǒng)的消費類電子產品轉向數(shù)字化的信息產品，包括通信設備、計算機和數(shù)字化音視頻設備等。數(shù)字技術對陶瓷元器件提出了一系列特殊的要求。為了滿足這些要求，世界各國的大學、研究機構和企業(yè)都在新材料、新工藝、新產品方面投入巨資進行研究開發(fā)。

新型電子陶瓷材料發(fā)展趨勢

　　新型電子陶瓷元器件及相關材料的發(fā)展趨勢和方向主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　1.小型化與微型化

　　隨著移動通信和衛(wèi)星通信的迅速發(fā)展，對器件小型化、微型化的要求越來越迫切，而電子元器件特別是大量使用的以電子陶瓷材料為基礎的各類無源元器件，是實現(xiàn)整機小型化、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發(fā)的一個重要目標，市場需求也非常旺盛。以片式電容器為例，2004年多層陶瓷電容器(MLCC)的全球市場已達8000億只，并且以每年20%的速度遞增，表現(xiàn)出強勁的增長態(tài)勢。從技術方面看，MLCC正向著微型化、介質薄層化、大容量、高可*和電極*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，并進而向0201和01005發(fā)展；介質單層厚度由原來的10微米以上減小到5微米、3微米，甚至到1微米；介質層數(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)了當前電子陶瓷無源元器件的主要市場。從材料角度而言，實現(xiàn)小型化、微型化的基礎在于提高陶瓷材料的性能和發(fā)展陶瓷納米晶技術和相關工藝，因此，發(fā)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。

　　2.高頻化與頻率系列化

　　高頻化是數(shù)字3C產品發(fā)展的必然趨勢。以移動通信為例，以模擬信號為主要特征的第一代移動通信所用的頻段在800MHz-900MHz之間，以數(shù)字信號為主要特征的第二代移動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通信系統(tǒng)的頻率則在2GHz左右。

　　對各類電子元器件中的陶瓷材料來說，如何適應高的工作頻率是一個嚴峻挑戰(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域的研究熱點，微波介質陶瓷材料及新型微波器件是其中重要的研究課題。微波介質陶瓷指適合于微波應用的低損耗、溫度穩(wěn)定的電介質陶瓷材料，廣泛應用于微波諧振器、濾波器、移相器、微波電容器以及微波基板等，是移動通信、衛(wèi)星通信、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、藍牙技術以及無線局域網(WLAN)等現(xiàn)代微波通信技術的關鍵材料。

　　自上世紀80年代初微波介質諧振器的實用化實現(xiàn)突破以來，已研究開發(fā)出了多種實用化微波介質陶瓷材料，從而大大促進了現(xiàn)代通信技術的發(fā)展與普及。尋求高介電常數(shù)、高品質因數(shù)、低頻率溫度系數(shù)仍然是當前微波介質陶瓷材料研究的重點。為適應通信終端設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)界的廣泛關注。

　　3.集成化與模塊化

　　當前，手機和筆記本電腦進一步向便捷化、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)展進程。

　　以手機為例，目前每個手機中約有250個-300個無源電子元件，因此無源電子元件的小型化對手機產品的輕便化起決定性作用，這一需求極大地推動了無源電子陶瓷片式元件的小型化、集成化進程。為減小整機的尺寸，采用多元復合、集成化無源元件，提高安裝密度，將是一種最有效的途徑。因此，多層復合功能陶瓷及元器件正由分離式元件向復合化多元組件發(fā)展，并最終向無源器件的集成化趨勢發(fā)展。

　　集成化功能陶瓷元器件是以低溫共燒陶瓷(LTCC)為平臺，采用多層陶瓷技術將電容、電感和電阻材料嵌入集成在低溫共燒陶瓷基板中，形成無源集成陶瓷器件。

　　目前，基于LTCC技術的功能陶瓷集成器件已開始應用于移動通信終端設備中，如片式多層LC濾波器、片式微帶濾波器、多層天線等已開始在手機中獲得應用，而一些功能集成模塊如收發(fā)前端模塊、功率模塊和藍牙模塊等也已開發(fā)成功，并將在3G手機中得到推廣應用。

　　LTCC的多功能模塊的巨大市場前景，使其成為眾多企業(yè)競爭的焦點，很多國際著名的無源電子元器件的生產企業(yè)紛紛進入這一領域，如日本的村田、TDK、太陽誘電，美國的Johanson Technology公司等。目前多家公司都宣稱已開發(fā)成功包括LTCC微帶濾波器、多層天線、復用器、不平衡變壓器以及射頻前端開關模塊、功放模塊和藍牙模塊等在內的集成化無源元件和模塊。這些器件應用領域廣泛，包括各種制式的手機、藍牙模塊、GPS、數(shù)碼相機、WLAN、汽車電子等，其中，手機的用量占據(jù)主要部分，約占80%以上。

　　國內在該領域還處于起步階段，尚未形成產業(yè)規(guī)模。從技術角度而言，實現(xiàn)陶瓷集成的關鍵在于發(fā)展性能優(yōu)異的低溫共燒陶瓷材料以及先進的異質材料共燒技術，這已成為當前信息功能陶瓷領域重要的研究方向。

　　4.無鉛化與環(huán)境協(xié)調性

　　近年來，隨著環(huán)境保護和人類社會可持續(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)達國家致力研發(fā)的熱點材料之一。2001年歐州議會通過了關于"電器和電子設備中限制有害物質"的法令，并定于2008年實施，其中被限制使用的物質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域占據(jù)相當大的比重。近幾年來，壓電陶瓷在全球每年的銷售量按15%左右的速度增長。

　　隨著電子整機向數(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，包括多層壓電變壓器、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一些新型壓電陶瓷器件不斷被研制出來，并廣泛應用于微機電系統(tǒng)和信息領域。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)調性的壓電鐵電陶瓷是一項緊迫且具有重大實用意義的課題。

　　由此可見，信息技術的發(fā)展向功能陶瓷材料提出了一系列嚴峻的挑戰(zhàn)，同時也為功能陶瓷的研究和發(fā)展提供了前所未有的機遇。面向21世紀我國3C產業(yè)的高速發(fā)展，為建立具有自主知識產權的新型信息高技術產業(yè)體系，必須大力加強信息功能陶瓷及元器件的創(chuàng)新性研究和開發(fā)工作，整體提升我國3C產業(yè)的技術創(chuàng)新能力和國際競爭力。