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第2期电子元件与材料V ol.24 No.2 2005年2月ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALS Feb. 2005电子陶瓷材料发展现状、展望与思考
范福康，吴红忠
（南京工业大学材料学院，江苏 南京 210009）
摘要：综述了电子陶瓷的现状及发展趋势。重点介绍了基板材料、电阻基体材料、电容器陶瓷介质材料、压电陶瓷材料、微波陶瓷介质材料、热敏陶瓷材料，并对未来发展进行了展望与思考。
世界上最大的青铜器关键词：无机非金属材料；电子陶瓷；综述；现状；思考
中图分类号: TM28 文献标识码:A 文章编号:1001-2028（2005）02-0058-03
Current Status and Prospect of Electronic Ceramic Materials
FAN Fu-kang, WU Hong-zhong
(College of Materials Science and Engineering, Nanjin University of Technology, Nanjing 210009, China)
Abstract: Current status and tendency of electronic ceramics are reviewed. Mainly introduced are substrate material, resistance body material, cerarnic dielectric of capacitor, piezoelectric ceramic material, microwave ceramic dielectric material, thermonsitive ceramic material. In addition, some suggestions are propod.
Key words: inorganic non-metallic materials; electronic ceramic; review; current status; thinking
电子陶瓷材料是特种陶瓷材料领域中最具活力，最有发展前途的重要组成部分。它是以电、磁、光、热和力学等性能及其相互转换为主要特征，在电子、通讯、自动控制、信息计算机、激光、医疗、机械、汽车、航空、航天、核技术和生物技术等众多高技术领域中为关键材料，其产值约占整个特种陶瓷总产值的70%，有着显著的社会效益和可观的经济效益。各经济发达国家、地区都把它列为优先发展的领域，研究、开发十分活跃。
当前电子信息正向着集成化、微型化和智能化方向发展，相应地要求电子元器件逐步向微型化、薄膜化、多功能、高效能、高可靠性和高稳定性方向发展。
电子陶瓷材料种类繁多，本文仅就某些电子陶瓷材料的国内外现状及其发展趋势以及引起的若干问题的思考，提出某些见解进行商榷，以期促进我国电子陶瓷材料与器件的迅速发展。
课堂教学评价表1基础研究和应用基础研究
电子陶瓷材料的开发应用首先依赖于新材料的发现和人工合成。由于现代科学技术的发展，化学与材料科学的发展与有机结合，产生了材料化学，物理与材料科学紧密结合形成了材料物理。近百年来，新化合物、固溶体、多晶型等不断涌现。电子陶瓷领域中，合成化合物及材料特性方面取得了某些重大进展（表1）。
表1 典型电子陶瓷材料重大发现历程表
Tab.1 Typical electronic ceramic materials
材料名称发现者年份材料特性
ZrO2(Y2O3) 能纳斯特 1900 氧化物导电体
β-Al2O3(MgO,CaO)伦琴 1916 固体电解质Na2O 斯提威尔 1926 固体电解质
BaTiO3坦曼 1925 铁电体
ZrO2(CaO) 鲁夫 1929 氧气传感器
LiNbO3修义 1937
压电、非线光学BaFe12O19艾多斯科尔德 1938 铁氧体、记忆材料
非晶硅康尼格 1944 太阳能电池
合成沸石巴勒 1948 催化剂
PTC陶瓷海曼 1950 热敏材料
半透明Al2O3陶瓷科布尔 1957 透明
Ba x La5-x Cu5O5(3-y)贝德洛茨等 1986 高温氧化物超导体伴随着电子陶瓷元器件向轻、薄、短、小、多功能、高性能、高可靠性、高密度表面组装的发展需要，以及日益激烈的市场竞争要求高合格率和低成本化，必须加强基础研究和应用基础研究。当前国内虽然有一批知名企业、单位，正从事这方面相关的研究工作，并已取得了长足的进步。但另一方面大都为跟踪研究，很少或缺乏独立自主的基础研究和应用基础研究。例如，有人对纳米材料基本特性尚缺乏应有的认识，就提出许多纳米产品进行误导；又如陶瓷相图研究国外十分重视，它是一项长期艰苦的复杂工作，国内已很少见到这方面的报
收稿日期：2004-12-10 修回日期：2004-12-25
作者简介：范福康（1935-），男，教授，在南京工业大学材料科学与工程学院从事教学和科研工作。E-mail: fanfukang@njut.edu。
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范福康等：电子陶瓷材料发展现状、展望与思考
道；界面物理化学及陶瓷材料设计等方面的工作，由于对仪器设备，计算技术要求高，费用大，国内至今这方面的工作少见报道；机械装备设计，加工制造与工艺人员的脱节，表现在现代化、高性能、高可靠方面和国外相比还有不小差距，以至进口装备的价格仍较国产同类或相近产品要高5~10倍。
2粉料制备技术
高纯度、粒径分布窄、无团聚、确定晶型的粉体是获得高性能陶瓷材料的物质基础。因此，高性能、亚微米、纳米粉料有着宽广的市场和良好的经济效益。当前粉料制备技术中比较突出的问题是如何实现高性能、大批量、系列化、低成本化，如何解决废水、废气、粉尘对环境的污染，实现可持续发展，替代进口，参与国际竞争。
3电子陶瓷元器件
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（1）基板材料
目前国内外主要采用Al2O3陶瓷作为集成电路基板材料，然而随着电子元器件向高性能、高密度、大功率、小型化、低成本方向发展，迫切希望采用高导热系数陶瓷基板，理论上最适宜的候选材料有金刚石（C）、立方氮化硼（BN）、氧化铍（BeO）、碳化硅（SiC）和氮化铝（AlN）等。由于AlN导热系数高达250 W·m–1·K–1，虽比SiC及BeO略低，但比Al2O3略高8~10倍，其体积电阻率，击穿强度，介质损耗等电气性能可与Al2O3瓷媲美，且相对介电常数较低，力学强度也较高，热膨胀系数为4.4×10–6·℃–1，接近于Si可进行多层布线。可以认为是最佳候选材料之一。目前日本德山曹达、东芝及美国一些公司已开始相当规模的应用，AlN陶瓷年总产量已逾千吨。国内目前AlN基板尚处于起步阶段，主要基本指标热导率大都在130~180 W·m–1·K–1。一些研究单位科技攻关产品性能已接近国际水平，但高性能、批量化、产品一致性和低成本化等方面的问题尚有待进一步解决。
（2）电阻基体材料
电阻是电路的基本元件，应用面广，需求量大。一般碳膜、金属膜电阻技术含量较低，产品价值不高，单件产品为微利，由于原材料、劳动力、能源等因素，目前国际市场有一定销路，但国内市场，价格竞争激烈。另一方面，高性能、超小型、大功率、高稳定性新型片式、无感电阻国内外市场广阔，具有良好的社会经济效益，由于技术和装备方面的问题，目前我国尚处于起步阶段。
（3）电容器陶瓷介质材料
近年来主要发展趋势是寻求大容量、小尺寸、高可靠、低价格的陶瓷电容器。与传统BaTiO3基介质材料相比，为提高介电常数和改善性能，出现了复合钙钛矿型材料。值得指出的是利用半导体p-n结的原理发展起来的晶界层电容器（GBLC）的出现，其视在介电常数较常规瓷介电容器的介电常数提高数倍至数十倍。以SrTiO3为基的晶界层电容器具有高介电常数，低介质损耗，低温度系数以及色散频率较高等优点，是最有发展前途的瓷料之一。目前，国内少数厂家已进入批量生产，然而在高性能、高合格率方面尚存在一定差距。可以相信，晶界层多层电容器（GBMLC）瓷料的出现将使电容器向小型化方向发展取得重大突破。
（4）压电陶瓷材料
压电陶瓷是实现机械能与电能相互转换的重要功能材料，广泛应用于音响设备、传感器、报警器、超声清洗、医疗诊断及通讯等许多领域。一般压电陶瓷材料为锆钛酸铅（PZT）系，有的瓷料中氧化铅含量高达60%~70%，由于生产过程中产生的粉尘及烧结过程中的铅挥发，这不仅给工艺和产品质量稳定带来诸多问题，而且给生态环境和人类的健康带来危害，研究新型无铅压电陶瓷以减少对环境的污染己成为一项十分紧迫的任务。
1961年前苏联学者Smolensky等人发现钛酸铋钠（Bi1/2Na1/2）TiO3，简称BNT为钙钛矿型（ABO3）铁电体。其居里点为320℃。极化困难限制其实际应用，直到20世纪80年代末，90年代初
日本学者Takenaka等人用Ba2+对Bi1/2Na1/2进行A位置换，出现了BNT-BaTiO3系，即BNBT系压电陶瓷，解决了BNT难以极化问题；获得频率常数高，介电常数较小，具有很大各向异性的新体系。可望在超声领域中获得应用，近年来国内外一些学者大都以BNBT系为基进行改性研究，并已取得某些进展，然而寻求无铅高性能压电陶瓷新系统取代传统的PZT系统决非易事，还有许多工作要做。
（5）微波陶瓷介质材料
自从1971年Mas等人首次提出采用四钛酸钡（BaTi4O9）作为微波陶瓷介质材料以来，随着现代通讯技术的不断发展，尤其是移动通讯向着高可靠，小尺寸方向发展，对材料的要求越来越高。为满足不同用途的要求，微波陶瓷介质材料种类有很多。主要有：TiO2，2MgO·SiO2，Al2O3，MgTiO3，BaTi4O9，BaTi9O20，(Zr,Sn)TiO4，Ba(Zr,Ti)O3，MgTaO3，BaO-ZnO-Nb2O5- Ta2O5，（Ca,Sr,Ba）O-ZrO2，BaO-TiO2-SnO2-Ln2O3等系统。无论哪种系统，一般都希望微波陶瓷材料具有适宜的相对介电常数εr，尽可能高品质因数Q0，尽可
60 电子元件与材料 2005年
能低的频率温度系数τf，最好≈0×10–6℃–1。我国目前通常按相对介电常数分为：低介εr≤20；中介εr~40；高介εr ~100三大类。必须指出，高性能微波陶瓷的技术含量高，研制难度大，尤其是精确测定微波频率下的Q0。随着科学技术不断进步，使用频率越来越高，从几百兆赫正向着数十兆赫方向发
展，近期可望约达40 GHz。国际上美国已完成εr从2~250系列化研究工作，日、俄、德、法等少数国家已掌握高性能微波陶瓷的生产技术，由于技术垄断和保密等原因，微波陶瓷元器件的售价昂贵。当前为满足移动电话、汽车雷达、卫星通讯、全球定位系统、射频控制、基地站等民用及军工技术对微波陶瓷元器件日益增长的需要，在微波陶瓷材料取得进展的基础上，进一步研究开发高性能同轴谐振器、柱状、环状谐振器、补丁天线等微波陶瓷元器件已提到重要议事日程。
（6）热敏陶瓷材料
热敏陶瓷材料主要包括负温度系数（NTC），正温度系数（PTC）及具有临界温度的负温度系数（CTR）三大类材料。前两类热敏电阻应用最广，相对来说NTC 热敏电阻已有相当大的生产规模，技术也较完善，PTC 热敏陶瓷用途极为广泛，产品品种繁多，性能方面与国际水平的差距正在缩小，主要差距表现为高性能、稳定性、一致性等诸方面，为克服高温PTC材料含铅污染环境的缺点，NiO-ZnO-TiO2系新材料已经问世，加热温度已达290℃，可望在温度传感，加热及控制等方面获得应用。看来，寻求无铅新材料，进一步提高PTC热敏陶瓷性能，是一项有意义的工作。
烈士纪念综上所述，可以看出电子陶瓷种类繁多，性能各异，用途广泛，进一步发展电子陶瓷意义重大。4 展望与思考
加入WTO，欧、美、日等发达国家看到中国有丰富的原材料，廉价的劳动力，巨大的市场会不断有电
子陶瓷元器件厂迁到中国。这样，必然会加剧国内外市场份额的竞争。可以认为，无情的竞争必将使许多产品价格一路走低，致使一些内资企业面对强大的国际竞争对手，更是举步维艰。众多企业家们已经或者将会意识到，市场竞争，高技术含量产品的竞争，价格竞争，优秀人才的竞争，信誉的竞争都是客观存在的挑战。其必然的结果是适者生存，不适者淘汰，怎么来应战，就得靠自身努力了。如何应对呢？是否可以从以下几方面考虑呢？
（1）了解信息和技术从未来发展着手，了解新一代更新材料及元器件是十分必要的。
（2）自身的市场定位电子陶瓷品种繁多，要确定自身具体市场定位。要学习外商对市场开拓的思路和方法，要注重销售人员的素质，要十分重视信誉至上，开拓进取。
（3）自身发展壮大的思路企业如何做大，提高市场占有份额是每一位企业家要经常考虑的问题。总结以往经验教训，可以发现采用老经验，老生产线扩大再生产将无法在激烈的竞争中取胜。只有采用先进、适用的高技术及装备，提升产品技术档次，不断降低成本才能发展壮大。
（4）培育中国品牌尊重知识，尊重人才，加大科研开发力度，坚持创新，实施大公司战略，培育中国品牌，不断提升企业的国际竞争力，才能在激烈的竞争中获得全面丰收。
（编辑：傅成君）
我国认定高新技术企业具体标准
紫陀螺（一）从事一种或多种高新技术及具体产品的研究开发、生产和技术服务。单纯的商业贸易除外。
（二）具有企业法人资格，实行独立核算，自主经营、自负盈亏。
（三）企业的主要负责人应是熟悉本企业产品研究、开发和经营，学历大专以上，并重视技术创新的本企业专职人员。
（四）具有大专以上学历的科技人员占企业职工总数的30%以上，其中从事高新技术产品研究开发的科技人员应占企业职工总数的10%以上。
（五）有与其规模相适应的生产、经营场所和设施。
（六）企业每年用于高新技术及其产品研究开发的经费应占本企业当年总销售额的5%以上。
（七）高新技术企业的技术性收入与高新技术产品销售收入的总和应占本企业当年总收入的50%以上。
被认定的高新技术企业享受哪些优惠政策呢?
经认定的高新技术企业享受国家政策规定的优惠待遇。
（一）减免所得税。经认定的高新技术企业所得税免二减三，然后按15%征收。高新区内高新技术企业享受同等政策。
（二）财政扶持专项资金。对列入享受财政专项资金扶持的高新技术企业名单的高新技术企业，当年实现并缴入地方国库的增值税、营业税、企业所得税属于地方财政收入的税收比上年新增的部分，由财政部门按规定程序审核安排专项资金予以扶持。
（三）外商投资的高新技术企业享受15%的所得税。
（四）出口信贷享受5~8年进出口银行优惠利率3.51%。
（五）股权激励：国有高新技术经批准可实行股权激励政策。
