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我國電子陶瓷技術發(fā)展的戰(zhàn)略思考

來源：泰然健康網時間：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，是電子信息技術的重要材料基礎。近年來，隨著電子信息技術日益走向集成化、薄型化、智能化和微型化，以半導體技術為基礎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的發(fā)展瓶頸，因此電子陶瓷材料及其制備加工技術越來越成為制約電子信息技術發(fā)展的重要核心技術之一 [1~3]。

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

二、國際電子陶瓷產業(yè)技術發(fā)展現狀與趨勢

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

（一）多層陶瓷電容器（MLCC）產業(yè)

電子陶瓷的主要應用領域是無源電子元件。 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中的振蕩、耦合、濾波旁路電路中，其應用領域涉及自動儀表、數字家電、汽車電器、通信、計算機等行業(yè)。MLCC 在國際電子制造業(yè)中占據越來越重要的位置，尤其是隨著消費類電子產品、通信、電腦、網絡、汽車、工業(yè)和國防終端客戶的需求日益增多，全球市場達到百億美元，并以每年 10%~15% 的速度增長。自 2017 年以來，由于供求關系所致，MLCC 產品發(fā)生了若干次漲價潮。日本是 MLCC 的生產大國，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，其中內電極賤金屬化相關技術在近年來發(fā)展最為迅速，采用賤金屬內電極是降低 MLCC 成本的最有效途徑，而實現賤金屬化的關鍵技術是發(fā)展高性能抗還原鈦酸鋇瓷料。日本在 21 世紀初就已經完成了此項技術的開發(fā)，并一直保持世界領先，目前其大容量 MLCC 全部實現了賤金屬化。尺寸的小型化一直是 MLCC 發(fā)展的主要趨勢，隨著電子設備日益向小型化和便攜式方向發(fā)展，產品更新換代迅速，小型化產品需求強烈，如圖 1 所示。實現小型化元器件的基本材料技術是陶瓷介質層的薄型化技術。當前日本企業(yè)處于國際領先地位，其生產的 MLCC 單層厚度已達 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)水平已達到 0.3 μm。介質薄層化的基礎是介質材料的微細化。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 陶瓷介質的主晶相，其顆粒尺寸需要從 200~300 nm 進一步細化到 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 介質層的主晶相材料。

圖 2 電子陶瓷發(fā)展路線圖

（三）重點發(fā)展方向

1. 新一代電子陶瓷元件與材料

重點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，發(fā)展出擁有自主知識產權的材料配方和規(guī)?；a技術，形成穩(wěn)定的生產規(guī)模。重點突破高端電子陶瓷元件中材料精密成型和加工的關鍵工藝技術和裝備，保證薄型化多層陶瓷技術所需的關鍵納米陶瓷材料的自主穩(wěn)定供應，形成無源集成關鍵設備的自主研發(fā)和生產能力。

（1）高性能、低成本 MLCC 材料與元件。加強高性能抗還原陶瓷介質粉體材料及規(guī)模化生產；重點研發(fā)薄型化功能陶瓷成型技術與裝備，納米晶陶瓷燒結技術，超薄型多層陶瓷結構內電極技術等。

（2）新型片式感性元件與關鍵材料。加強高性能低溫燒結鐵氧體及低介低損耗陶瓷介質粉體材料及規(guī)模化生產；研發(fā)多層陶瓷精密互聯技術及其裝備，小型化微波段片式電感器布線設計技術等。

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

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

（5）新一代電磁波介質陶瓷材料。面向 5G/6G 通信技術的新型電磁波介質材料，重點研究片式高頻低損耗微波介質陶瓷及其規(guī)模化生產技術，片式高性能低成本復合電磁波介質陶瓷及其基礎材料的規(guī)?；a技術及裝備，人工片式電磁波介質的設計、制備與規(guī)?；a技術。

2. 無源集成模塊及關鍵材料與技術

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

（1）系列化 LTCC 用電磁介質材料的研究。重點研究具有系列化介電常數和磁導率、滿足 LTCC 性能和工藝要求的陶瓷材料粉體和生產帶，形成我國在 LTCC 材料領域的自主知識產權。

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

（3）無源集成模塊設計與測試方法。研究內容包括無源集成模塊設計軟件的開發(fā)，新型無源集成結構特性的模擬與仿真，高集成度無源集成模塊的設計，以及無源集成模塊的測試技術等。

七、政策建議

我國電子陶瓷材料和元件領域已形成了很好的產業(yè)技術基礎，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域的強壯發(fā)展仍受到一些關鍵材料技術、工藝技術及設備技術的制約。為實現我國高端電子陶瓷產業(yè)的引領發(fā)展，亟待強化頂層統籌規(guī)劃。

（1）將無源元件及關鍵電子陶瓷材料及無源電子元件納入國家半導體產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略布局中統籌考慮，在國家支持微電子產業(yè)的重大研發(fā)計劃中設立無源元件專項，將國家支持芯片產業(yè)發(fā)展的各種優(yōu)惠政策擴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，總體上強化研發(fā)力量，加強各研究單位直接的聯系和交流協作，開創(chuàng)一個以新材料研究為基礎，又有較強器件應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、有效轉化和具體實現“產學研”相結合的有效機制。

（3）統籌規(guī)劃電子陶瓷材料與元器件產業(yè)鏈上下游企業(yè)，強化原材料供應鏈以保證高純、高穩(wěn)定性電子陶瓷前驅體的供應，大力開展高端工藝裝備的研發(fā)，加強無源元件和整機產業(yè)設計的自主創(chuàng)新，加強相關標準的建設。

=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]

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

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基金

中國工程院咨詢項目“新材料強國2035 戰(zhàn)略研究”(2018-ZD-03)

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