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我國電子陶瓷技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略思考

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月07日 15:33

一、前言

電子陶瓷是無源電子元件的核心材料，是電子信息技術(shù)的重要材料基礎(chǔ)。近年來，隨著電子信息技術(shù)日益走向集成化、薄型化、智能化和微型化，以半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)的有源器件和集成電路迅速發(fā)展，而無源電子元件日益成為電子元器件技術(shù)的發(fā)展瓶頸，因此電子陶瓷材料及其制備加工技術(shù)越來越成為制約電子信息技術(shù)發(fā)展的重要核心技術(shù)之一 [1~3]。

我國是無源電子元件大國，從產(chǎn)品產(chǎn)量上看，無源元件的產(chǎn)量占到了全球的 40% 以上；但不是強(qiáng)國，元件產(chǎn)值不足全球產(chǎn)值的四分之一，高端元件大量依賴進(jìn)口 [4,5]。電子陶瓷材料及技術(shù)是制約高端元件發(fā)展的重要因素之一。從戰(zhàn)略高度研判國內(nèi)外電子陶瓷材料與元器件技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析我國相關(guān)領(lǐng)域的問題及對策，對于推動我國高端電子元器件產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

二、國際電子陶瓷產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

從全球電子陶瓷產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平看，日本和美國處于世界的領(lǐng)先地位。其中，日本憑借其超大規(guī)模的生產(chǎn)和先進(jìn)制備技術(shù)，在世界電子陶瓷市場中具有主導(dǎo)地位，占有世界電子陶瓷市場 50% 以上的份額 [2]。美國在基礎(chǔ)研究和新材料開發(fā)方面力量雄厚，其注重產(chǎn)品的前沿技術(shù)和在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，如在水聲、電光、光電子、紅外技術(shù)和半導(dǎo)體封裝等方面處于優(yōu)勢地位。此外，韓國在電子陶瓷領(lǐng)域發(fā)展迅速，引人矚目。

（一）多層陶瓷電容器（MLCC）產(chǎn)業(yè)

電子陶瓷的主要應(yīng)用領(lǐng)域是無源電子元件。 MLCC 是目前用量最大的無源元件之一，主要用于各類電子整機(jī)中的振蕩、耦合、濾波旁路電路中，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及自動儀表、數(shù)字家電、汽車電器、通信、計(jì)算機(jī)等行業(yè)。MLCC 在國際電子制造業(yè)中占據(jù)越來越重要的位置，尤其是隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信、電腦、網(wǎng)絡(luò)、汽車、工業(yè)和國防終端客戶的需求日益增多，全球市場達(dá)到百億美元，并以每年 10%~15% 的速度增長。自 2017 年以來，由于供求關(guān)系所致，MLCC 產(chǎn)品發(fā)生了若干次漲價潮。日本是 MLCC 的生產(chǎn)大國，日本的村田（nuRata）、京瓷株式會社（KYOCERA）、太陽誘電株式會社（TAIYO YUDEN）、TDK-EPC，韓國的三星電機(jī)有限公司（SEMCO）和我國臺灣地區(qū)的華新科技股份有限公司、國巨股份有限公司等都是全球著名的 MLCC 生產(chǎn)企業(yè)。MLCC 的主流發(fā)展趨勢是小型化、大容量、薄層化、賤金屬化、高可靠性，其中內(nèi)電極賤金屬化相關(guān)技術(shù)在近年來發(fā)展最為迅速，采用賤金屬內(nèi)電極是降低 MLCC 成本的最有效途徑，而實(shí)現(xiàn)賤金屬化的關(guān)鍵技術(shù)是發(fā)展高性能抗還原鈦酸鋇瓷料。日本在 21 世紀(jì)初就已經(jīng)完成了此項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)，并一直保持世界領(lǐng)先，目前其大容量 MLCC 全部實(shí)現(xiàn)了賤金屬化。尺寸的小型化一直是 MLCC 發(fā)展的主要趨勢，隨著電子設(shè)備日益向小型化和便攜式方向發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代迅速，小型化產(chǎn)品需求強(qiáng)烈，如圖 1 所示。實(shí)現(xiàn)小型化元器件的基本材料技術(shù)是陶瓷介質(zhì)層的薄型化技術(shù)。當(dāng)前日本企業(yè)處于國際領(lǐng)先地位，其生產(chǎn)的 MLCC 單層厚度已達(dá) 1 μm，其中，處于頂級地位的日本村田和太陽誘電株式會社的研發(fā)水平已達(dá)到 0.3 μm。介質(zhì)薄層化的基礎(chǔ)是介質(zhì)材料的微細(xì)化。在大容量薄層化 MLCC 元件單層厚度逐漸減小的同時，為保證元件的可靠性，鈦酸鋇作為 MLCC 陶瓷介質(zhì)的主晶相，其顆粒尺寸需要從 200~300 nm 進(jìn)一步細(xì)化到 80~150 nm。未來的發(fā)展趨勢是制備出顆粒尺寸 150 nm 的鈦酸鋇材料作為 MLCC 介質(zhì)層的主晶相材料。

圖 2 電子陶瓷發(fā)展路線圖

（三）重點(diǎn)發(fā)展方向

1. 新一代電子陶瓷元件與材料

重點(diǎn)突破量大面廣的無源電子元件，如 MLCC、片式電感器、陶瓷濾波器的器件所需的高端電子陶瓷材料技術(shù)，發(fā)展出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料配方和規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)，形成穩(wěn)定的生產(chǎn)規(guī)模。重點(diǎn)突破高端電子陶瓷元件中材料精密成型和加工的關(guān)鍵工藝技術(shù)和裝備，保證薄型化多層陶瓷技術(shù)所需的關(guān)鍵納米陶瓷材料的自主穩(wěn)定供應(yīng)，形成無源集成關(guān)鍵設(shè)備的自主研發(fā)和生產(chǎn)能力。

（1）高性能、低成本 MLCC 材料與元件。加強(qiáng)高性能抗還原陶瓷介質(zhì)粉體材料及規(guī)模化生產(chǎn)；重點(diǎn)研發(fā)薄型化功能陶瓷成型技術(shù)與裝備，納米晶陶瓷燒結(jié)技術(shù)，超薄型多層陶瓷結(jié)構(gòu)內(nèi)電極技術(shù)等。

（2）新型片式感性元件與關(guān)鍵材料。加強(qiáng)高性能低溫?zé)Y(jié)鐵氧體及低介低損耗陶瓷介質(zhì)粉體材料及規(guī)?；a(chǎn)；研發(fā)多層陶瓷精密互聯(lián)技術(shù)及其裝備，小型化微波段片式電感器布線設(shè)計(jì)技術(shù)等。

（3）高性能多層片式敏感元件與材料。重點(diǎn)研究高性能片式熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、光敏陶瓷規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)，微納尺度多層片式敏感陶瓷傳感器制備工藝技術(shù)與表征技術(shù)等。

（4）高性能壓電陶瓷材料。重點(diǎn)研究壓電陶瓷材料凈尺寸成型與加工及其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，壓電微型電源應(yīng)用的高性能多層壓電材料制備及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，高性能多層無鉛壓電陶瓷材料和新型元件可工程化和產(chǎn)業(yè)化的先進(jìn)制備技術(shù)。

（5）新一代電磁波介質(zhì)陶瓷材料。面向 5G/6G 通信技術(shù)的新型電磁波介質(zhì)材料，重點(diǎn)研究片式高頻低損耗微波介質(zhì)陶瓷及其規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)，片式高性能低成本復(fù)合電磁波介質(zhì)陶瓷及其基礎(chǔ)材料的規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)及裝備，人工片式電磁波介質(zhì)的設(shè)計(jì)、制備與規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)。

2. 無源集成模塊及關(guān)鍵材料與技術(shù)

無源集成技術(shù)得以進(jìn)入實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化階段，很大程度上取決于 LTCC 技術(shù)的突破。目前，雖然開發(fā)出了一些各具優(yōu)勢的無源集成技術(shù)，但是主流技術(shù)仍以 LTCC 為主。一方面，優(yōu)化材料 LTCC 性能及制備方法，提高在國際高端應(yīng)用中的占比；另一方面，兼顧其他幾類無源集成技術(shù)，研究開發(fā)相應(yīng)的關(guān)鍵材料、關(guān)鍵技術(shù)和重要模塊。

（1）系列化 LTCC 用電磁介質(zhì)材料的研究。重點(diǎn)研究具有系列化介電常數(shù)和磁導(dǎo)率、滿足 LTCC 性能和工藝要求的陶瓷材料粉體和生產(chǎn)帶，形成我國在 LTCC 材料領(lǐng)域的自主知識產(chǎn)權(quán)。

（2）無源集成模塊的關(guān)鍵制備工藝研究。重點(diǎn)研究無源集成模塊制備的若干關(guān)鍵性工藝過程，如厚膜與薄膜制備工藝、微孔成孔與注漿工藝、精密導(dǎo)體漿料印刷工藝、陶瓷共燒工藝等。

（3）無源集成模塊設(shè)計(jì)與測試方法。研究內(nèi)容包括無源集成模塊設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)，新型無源集成結(jié)構(gòu)特性的模擬與仿真，高集成度無源集成模塊的設(shè)計(jì)，以及無源集成模塊的測試技術(shù)等。

七、政策建議

我國電子陶瓷材料和元件領(lǐng)域已形成了很好的產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)，但是電子陶瓷作為一類重要戰(zhàn)略新材料，其在高端電子陶瓷領(lǐng)域的強(qiáng)壯發(fā)展仍受到一些關(guān)鍵材料技術(shù)、工藝技術(shù)及設(shè)備技術(shù)的制約。為實(shí)現(xiàn)我國高端電子陶瓷產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)發(fā)展，亟待強(qiáng)化頂層統(tǒng)籌規(guī)劃。

（1）將無源元件及關(guān)鍵電子陶瓷材料及無源電子元件納入國家半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略布局中統(tǒng)籌考慮，在國家支持微電子產(chǎn)業(yè)的重大研發(fā)計(jì)劃中設(shè)立無源元件專項(xiàng)，將國家支持芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的各種優(yōu)惠政策擴(kuò)展到電子陶瓷及無源電子元件行業(yè)。

（2）增加研究人員和資金投入，總體上強(qiáng)化研發(fā)力量，加強(qiáng)各研究單位直接的聯(lián)系和交流協(xié)作，開創(chuàng)一個以新材料研究為基礎(chǔ)，又有較強(qiáng)器件應(yīng)用研究背景與研究能力的綜合研究開發(fā)體；建立能將成果及時、有效轉(zhuǎn)化和具體實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合的有效機(jī)制。

（3）統(tǒng)籌規(guī)劃電子陶瓷材料與元器件產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)，強(qiáng)化原材料供應(yīng)鏈以保證高純、高穩(wěn)定性電子陶瓷前驅(qū)體的供應(yīng)，大力開展高端工藝裝備的研發(fā)，加強(qiáng)無源元件和整機(jī)產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)的自主創(chuàng)新，加強(qiáng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)。

=2" class="main_content_center_left_zhengwen_bao_erji_title main_content_center_left_one_title" style="font-size: 16px;">{{custom_sec.title}}{{custom_sec.content}}[1]

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基金

中國工程院咨詢項(xiàng)目“新材料強(qiáng)國2035 戰(zhàn)略研究”(2018-ZD-03)

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