玩轉陶瓷材料_精細陶瓷之電子陶瓷篇

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玩轉陶瓷材料_精細陶瓷之電子陶瓷篇的圖1

■邱耀弘 /ACMT

摘要

陶瓷材料老早就使用在電子產業上，只是大家沒有注意到，在數百年以前陶瓷就已經被使用在電子被動元件的電容 (Capacitor, C) 上，隨后的電感 (Inductors, L)、和電阻 (Resistor, R)，甚至在主動元件上的積體電路之封裝，陶瓷材料都已經被使用中。好的，為了要讓 ACMT的讀者們能夠概略的了解陶瓷材料使用于電子用途，本篇將為各位說明影響人類近半個世紀的電子技術，竟然依賴古老的陶瓷材料，并且大量的搬上電路板上，精彩可期請勿錯過！

陶瓷材料的光電磁效應 – 材料中的特性

首先我們必須了解，近代物理學已經確認了磁電不分家，磁與電有幾個特色：磁場是收斂的的而電場卻是發散的，磁電互生也是很有趣的，更進一步的證實光、電、磁也是一家人，從愛因斯坦的相對論中就提到，光會被重力所干擾，到近幾年才發現因為光也有和電、磁一樣的特性，足見當代物理學家們的偉大發現。

和人類生活息息相關且感受的到的是電，停電了，對生活上種種的不方便，那是最為明顯，因為人類是不遺余力對電能的開發和應用，而陶瓷材料就理所當然的貢獻其所長。以下說明陶瓷作為一些用在電路上功能：

■ 絕緣：用于相對電能的隔離與絕緣，由于陶瓷的絕緣阻抗特性很高，除非電流很大 ( 上千伏特 )，陶瓷是可以有效的隔離電流，因此在國家電網的設備上最容易看到如電纜線的陶瓷絕緣子 (Ceramic Insulator，直譯又翻成礙子、艾子或礙子 )，還有小到電子點火器用的隔離正負極導線的陶瓷管，請見圖 (1) 所示，這些都是陶瓷材料做成的，大多是以白色的氧化鋁 / 氧化鋯等精密陶瓷元件，已經不是傳統陶瓷那種強度不高、雜質多的陶土，以防止陶土中有過多孔隙易碎裂、高溫易產生融化以及嚴重的短路 ( 由于陶瓷不純物導致引電弧 )。在絕緣陶在高科技應用的今天已經不只上述幾種，例如用于航天的陶瓷電子基板 ( 氧化鋁與碳化硅 ) 以及積體電路散熱片 ( 氮化鋁 )，也早已經使用有 10 年以上的時間了，在高溫環境下耐高電流、高電壓，陶瓷是很棒的選項！

圖 1: 各種大小電流適用的陶瓷絕緣器

■ 電阻：如金屬氧化膜電阻器，利用于其本身即是陶瓷，所以高溫下穩定，耐熱沖擊，負載能力強按用途分，有通用、精密、高頻、高壓、高阻、大功率和電阻網絡等；另外如敏感電阻器等，系指其電阻值對于某種物理量 ( 如溫度、濕度、光照、電壓、機械力、以及氣體濃度等 ) 具有敏感特性，當這些物理量發生變化時，敏感電阻的阻值就會隨物理量變化而發生改變，呈現不同的電阻值。根據對不同物理量敏感，敏感電阻器可分為熱敏、濕敏、光敏、壓敏、力敏、磁敏和氣敏等類型敏感電阻。敏感電阻器所用的材料幾乎都是半導體材料，這類電阻器又稱為半導體電阻器。如圖 (2)。

圖 2: 左為陶瓷電阻器，右為壓敏 ( 電壓 ) 電阻器

■ 電容：材料的電容與介電、電阻三者是合體的電氣特性，每一種材料都有這些特性，但是陶瓷材料有特別明顯的功能和低成本的優勢，除了不耐機械撞擊與沖擊 ( 脆性使然 ) 之外，因為陶瓷元器件是一種固體的物質，非常的耐用且安定，以鈦酸鋇 (TiBO2) 為基礎的陶瓷電容器至少已經應用有上百年的歷史，也推進了人類設計電路板的技術，各種各樣的陶瓷電容器讓電路安定，有效的發揮各種電子功能；此外，由于陶瓷的介電特性很好，利用其介電特性作為觸控開關的氧化鋯、觸控屏材質的玻璃，都是陶瓷材料的強項，如圖 (3) 所示。

圖 3: 左為電路板常用的貼片電容、中為插件電容、右側手機的觸控面板為玻璃，也是陶瓷材料，中間的起始鍵 (Home key 或稱本位鍵 ) 上的氧化鋯陶瓷片，厚度僅 0.08mm，作為與玻璃面板相比有較高的介電系數，可以作為更明確的信號觸發和感測。

■ 感測：利用陶瓷的電子和電洞受到氣體物質的滲透而發生移動產生電位差，就可以當成傳感器，最普遍的例子就是氧濃度偵測器，利用氧化鋯對氧氣分子的敏感特性，是一種常見用于工作場所、居家環境的氧濃度偵測，成為火警的輔助報警之用。

■ 電感與磁性：又稱磁性陶瓷，由于陶瓷材料可以控制其不同的氧化價數使其并不全然的絕緣，透過與金屬線圈的牽制作用可形成電感，如圖 (4) 所示，以鐵氧體為主要角色添加許多氧化物經過燒結得到鐵粉芯，在鐵粉芯上纏繞各種線圈，把鐵氧陶瓷的功能發揮出來形成電感，是近代無線電技術以及電磁屏蔽技術重要的一環，用以過濾電波穩定系統以及改善電磁放射對設備的干擾、對人體的傷害。

圖 4: 以氧化鐵制作成鐵粉芯，在經過繞線加工的各種電感，應用在電磁波吸收上，是電路板必須使用的元器件

■ 壓電：如圖 (5) 所示為壓電陶瓷 (PEIZO) 是很有趣的一種功能特性，機械作工使陶瓷材料晶格變形產生電，逆向也可以用電產生機械變形，這樣壓電陶瓷用途就很廣泛，除可以產生高電壓引發電弧作為啟動器 ( 機場的高壓氙氣燈啟動器 ) 或是點火器 ( 各位讀者您家莊的瓦斯爐，旋轉可以發生電弧便是壓電陶瓷點火器 )，另外，由于壓電陶瓷受到電力驅動可以產生機械變形，也可以用來作為蜂鳴器 ( 壓電陶瓷貼在金屬片上形成震動膜片，能夠鼓動空氣通過發音孔，如吹口哨般的發音 )，或是微機電上的蠕蟲驅動器 ( 一種微量的線性馬達，由于一整排的壓電陶瓷腳向蠕蟲般運動，可以將物體往前或后進行精密的微量傳送，常用在半導體加工的驅動裝置 )，當然，有可以利用壓電陶瓷送出超音波震動，只要給予正確的脈沖供電，壓電陶瓷是很多用途的；對，日本東京車站設置了壓電陶瓷發電機，當人們走過產生震動發電，一年的總電量可以提供一個家庭使用一整年，是不是很有趣的電子陶瓷 ?

圖 5: 壓電陶瓷是機械能 - 電場的交替作用，因此用途極為廣泛；電致變形與變形發電是這種陶瓷的有趣功能

光電：光電效應最常用的透光的玻璃，但是別看玻璃只有透光，包含抗UV穿透、濾光、抗高溫、高強度，玻璃的種類又是一門單獨的材料課程，舉例來說：普通的鈉玻璃 ( 切斷面有綠色的 )、耐高溫的高硼硅玻璃和石英玻璃 ( 切斷面就是無色 )、藍寶石基板 ( 氧化鋁剛玉 )、玻璃陶瓷 ( 康寧玻璃的產品 )，另外電致變色陶瓷玻璃也很有趣，在玻璃的表面鍍上一層氧化鎢薄膜并使其構成回路就可以透過電流控制其穿透性，光致變色玻璃則是因為UV光照射使其立刻反應變深色，用在太陽眼鏡上的傳統民生產品很普遍。

小結

利用電流對材料施加產生的功能利用，在中文的上位名詞稱之為電致 (Electro induced) 效應，在金屬材料最容易看到電致發熱 ( 因電阻而成為加熱作用 )、電致發光 ( 鎢燈絲 )，而在陶瓷材料的電致性能則更為豐富，甚至是可逆的 ( 例如壓電陶瓷是電致變形，可逆則成為變形發電 )，電致變色、電致變磁、電致變容等等，人類的智慧取擷自造物者的恩惠，妥善應用身邊的資源成為可用的元器件，造福人群也能發財，真是有趣的技術 !! ■