電子陶瓷材料的案例
深入分析電子陶瓷技術發展歷程
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展，而無源電子元件日益成為電子元器件技術的發展瓶頸，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展的重要核心技術之一 。
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 。電子陶瓷材料及技術是制約高端元件發展的重要因素之一。從戰略高度研判國內外電子陶瓷材料與元器件技術的發展現狀，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的發展具有重要意義。
二、國際電子陶瓷產業技術發展現狀與趨勢
從全球電子陶瓷產業技術水平看，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 。美國在基礎研究和新材料開發方面力量雄厚，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勢地位。此外，韓國在電子陶瓷領域發展迅速，引人矚目。
（一）多層陶瓷電容器（MLCC）產業
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。MLCC 在國際電子制造業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。
展開 新型陶瓷材料的發展與應用地
陶瓷與金屬材料、高分子材料是當今社會應用最廣泛的三大材料。陶瓷制品分為普通陶瓷與先進陶瓷兩大類，先進陶瓷按其特性和用途可分為結構陶瓷與功能陶瓷。
其中，結構陶瓷主要是基于其力學性能和耐高溫、耐腐蝕、耐磨損性能等而應用的陶瓷材料；功能陶瓷主要是基于其電、熱、聲、光、磁等特性而應用的陶瓷材料。
新型陶瓷之所以能得到快速發展, 歸納起來有以下幾方面原因：
①具有優良的物理力學性能、高強、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、抗熱震而且在熱、光、聲、電、磁、化學、生物等方面具有卓越的功能，能滿足現代科學技術和經濟建設的需要。
②產品附加值相當高，應用十分廣泛，幾乎滲透到各行各業且未來市場持續擴展。
③其原料取于礦土或經合成而得，蘊藏量十分豐富。
新型陶瓷材料的應用
由于先進陶瓷特定的精細結構和其高強、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、導電、絕緣、磁性、透光、半導體以及壓電、聲光、超導、生物相容等一系列優良性能，被廣泛應用于國防、化工、冶金、電子、機械、航空航天、生物醫學等國民經濟的各個領域。
01
電子工業領域
電子工業是先進陶瓷產業最大的終端應用市場。電子陶瓷是指在電子設備中作為安裝、固定、支撐、保護、絕緣、隔離及連接各種無線電元器件的陶瓷材料。目前電子陶瓷材料元器件主要包括：光纖陶瓷插芯、陶瓷封裝基座、陶瓷基片、陶瓷基體、接線端子、片式多層陶瓷電容器等，主要材質有氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物等?，F代科學技術的高速發展對電子陶瓷材料提出了更加嚴峻的挑戰，也為這一領域的研究和發展創造了新的機會。
02
汽車工業領域
隨著科學技術飛速發展，更多特種陶瓷、智能陶瓷制品被應用到汽車上，給汽車零部件加工制造帶來了一場新的革命。
展開 玩轉陶瓷材料_精細陶瓷之電子陶瓷篇
■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。
展開 電子陶瓷的應用前景及發展趨勢詳解
高頻化與頻率系列化
移動通信和遠距離通信技術的快速發展，對微波陶瓷介質材料及其微波諧振器，微波濾波器、微波電容器等提出了廣闊的市場需求。高頻化是數字3C產品發展的必然趨勢。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。
無鉛化與環境協調性
作為重要的功能材料，壓電陶瓷在電子材料領域占據相當大的比重。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。壓電陶瓷均含有大量的鉛，制造過程會導致環境污染，隨著環境保護和人類社會可持續發展的需求，研發新型環境友好的鐵電壓電陶瓷已成為發達國家致力研發的熱點材料之一。
展開 
電子封裝用陶瓷基板材料及其制備工藝
陶瓷基板由于其良好的導熱性、耐熱性、絕緣性、低熱膨脹系數和成本的不斷降低，在電子封裝特別是功率電子器件如IGBT（絕緣柵雙極晶體管）、LD（激光二極管）、大功率LED（發光二極管）、CPV（聚焦型光伏）封裝中的應用越來越廣泛。
陶瓷基片主要包括氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al2O3）和氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）。與其他陶瓷材料相比，Si3N4陶瓷基片具有很高的電絕緣性能和化學穩定性，熱穩定性好，機械強度大，可用于制造高集成度大規模集成電路板。
幾種陶瓷基片材料性能比較
從結構與制造工藝而言，陶瓷基板又可分為HTCC、LTCC、TFC、DBC、DPC等。
高溫共燒多層陶瓷基板（HTCC）
HTCC，又稱高溫共燒多層陶瓷基板。制備過程中先將陶瓷粉（Al2O3或AlN）加入有機黏結劑，混合均勻后成為膏狀漿料，接著利用刮刀將漿料刮成片狀，再通過干燥工藝使片狀漿料形成生坯；然后依據各層的設計鉆導通孔，采用絲網印刷金屬漿料進行布線和填孔，最后將各生坯層疊加，置于高溫爐（1600℃）中燒結而成。此制備過程因為燒結溫度較高，導致金屬導體材料的選擇受限（主要為熔點較高但導電性較差的鎢、鉬、錳等金屬），制作成本高，熱導率一般在20~200W/（m·℃）。
低溫共燒陶瓷基板（LTCC）
LTCC，又稱低溫共燒陶瓷基板，其制備工藝與HTCC類似，只是在Al2O3粉中混入質量分數30%~50%的低熔點玻璃料，使燒結溫度降低至850~900℃，因此可以采用導電率較好的金、銀作為電極材料和布線材料。因為LTCC采用絲網印刷技術制作金屬線路，有可能因張網問題造成對位誤差；而且多層陶瓷疊壓燒結時還存在收縮比例差異問題，影響成品率。
展開 【科普系列】金屬與陶瓷“強強聯合”---金屬陶瓷層狀復合材料
圖1 貝殼微觀結構形貌及疊層復合結構簡圖 (a) 珍珠層截面形貌；(b) 表面納米有機蛋白顆粒；(c)，(d) 珍珠層俯視形貌；(e)珍珠層結構簡圖
金屬陶瓷層狀復合材料(laminated metal/ceramics composites，LMCCs)正是在這種契機下應運而生，并在其誕生之后迅速成為復合材料研究領域的熱門課題之一。金屬陶瓷層狀復合材料是由至少一種金屬以片層形式與陶瓷交替排列而成，是將擁有不同化學、物理性能的兩種或多種材料按照不同的層間距、層厚比以及疊層數相互疊層制備的新型材料，通常是由基體材料和增強體復合制備而成，圖2是通過粉末冶金法制備金屬陶瓷層狀復合材料的工藝流程。微疊層復合材料中的強性層一般選用較高強度和彈性模量的結構陶瓷，該層主要起強化的作用，當受外界載荷時能保證材料具有較高的強度。陶瓷層通常選用SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2等材料。韌性層一般選用金屬或有機物質等韌性好的材料，保證材料具有良好的韌性。常見的韌性層材料有Ti、Ni、Fe等金屬材料，非金屬的石墨以及高分子材料的樹脂等。微疊層復合材料每個疊層的厚度通常要求為0.01~100 μm，而其性能是由每一個組分特性、體積分數、結構特點、層間距和各組分之間的互溶度共同決定的。由于材料結構的特殊性，金屬陶瓷層狀復合材料可以改善材料的斷裂韌度、疲勞性能、抗沖擊性能、抗磨損性能、抗腐蝕性能和阻尼性能等。
圖2 粉末冶金制備金屬陶瓷層狀復合材料工藝流程
最常見的金屬陶瓷層狀復合材料主要包括Ti基、Ni基、Al基、Mg基、Fe基、Cr基、耐熱金屬基、金屬間化物基等，其中以Al基、Ti基、Ni基復合材料發展較為成熟。
展開 電子陶瓷外殼生產工藝流程
電子陶瓷外殼主要產品包括通信器件用電子陶瓷外殼、工業激光器用電子陶瓷外殼、消費電子陶瓷外殼及基板、汽車電子件等。
1、通信器件用電子陶瓷外殼
通信器件用電子陶瓷外殼產品主要包括光通信器件外殼、無線功率器件外殼、紅外探測器外殼， 各產品的特點及應用領域如下：
通信器件用電子陶瓷外殼生產工藝流程
上圖每步工序中的投料情況基本如下：
氧化鋁、氮化鋁等陶瓷粉料在流延環節投料，墻體、墻體組件、底盤、支架、焊料（部分）、光纖管、熱沉、引線、封口環等管殼零件在組裝釬焊環節投料，氰化亞金鉀電鍍液在鍍金環節投料，光窗、焊料（部分）在鍍金后焊光窗環節投料。
2、工業激光器用電子陶瓷外殼
該產品主要是大功率激光器外殼，其產品的特點及應用領域如下：
工業激光器用電子陶瓷外殼生產工藝流程
上圖每步工序中的投料情況基本如下：
氧化鋁、氮化鋁等陶瓷粉料在流延環節投料，墻體、墻體組件、底盤、焊料、熱沉、引線、封口環等管殼零件在組裝釬焊環節投料，氰化亞金鉀電鍍液在鍍金環節投料。
3、消費電子陶瓷外殼及基板
該系列產品主要包括聲表晶振類外殼、3D 光傳感器模塊外殼、5G 通信終端模塊外殼、氮化鋁陶瓷基板，各產品的特點及應用領域如下：
消費電子陶瓷外殼及基板生產工藝流程
上圖每步工序中的投料情況基本如下：
氧化鋁、氮化鋁等陶瓷粉料在流延環節投料，封口環、引線、焊料等管殼零件在釬焊環節投料，氰化亞金鉀電鍍液在鍍金環節投料。
展開 佳能也開始做陶瓷3D打印機了，高分辨率氧化鋁基陶瓷材料
△3DCeram陶瓷3D打印在醫療上的應用案例
△3DCeram陶瓷漿料
3DCeram位于法國利摩日，自2001年成立起就開始研究光固化（SLA）3D打印陶瓷技術，經過10多年的發展，如今已成為了不折不扣的陶瓷3D打印專家，不但研制出了打印幅面300毫米 x 300毫米的大型SLA陶瓷3D打印機CERAMAKER，而且開發出了多種打印材料，包括氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、羥基磷灰石(HAP)以及磷酸三鈣(TCP)等（均屬于3DMIX系列），還開設了FCP服務，提供快速響應的打印服務，并且順利通過了ISO9001和ISO13485質量體系認證。
△3DCeram的大尺寸高光潔度工業陶瓷打印零部件
浙江迅實科技
南極熊看到了浙江迅實科技推出的陶瓷光固化3D打印機Cera RAY。CeraRay的核心部件是自主研發的新型RayTwo DLP光源，可以穩定、準確的將光波照射到指定點上，由此固化出來的產品尺寸精確，且極高的功率有效地提高了固化速度。據悉，CeraRay打印層厚可以控制在10-50微米，成型精度達到±0.05mm，打印速度達到15-30s/層。此外，迅實科技在CeraRay的斜拔式分離系統中引入了THK高精度直接模組，使得設備更加穩定、可靠。
除了在精度和速度方面的優勢，CeraRay的材料兼容性也非常好，設備可以打印氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、復合陶瓷金屬等多種材料。升級過的刮刀結構分層系統還有效解決了材料粘連問題，提高了材料的利用率。
△CeraRay 3D打印的陶瓷樣件
展開 3DCERAM將攜陶瓷+多材料3D打印以及陶瓷3D打印流程解決方案亮相Formnext
展會將貫穿增材制造、材料、粉末冶金及后處理等一系列先進的材料、技術、設備以及產品，精準面向中國市場，輻射影響整個亞洲，為中國乃至亞洲的制造業帶來全新的商貿機遇，南極熊作為本次展會的戰略合作媒體，將全程對展會進行全方位的報道，并且開通了Formnext頻道：https://www.nanjixiong.com/forum-227-1.html 。
3Dceram展臺：9號館C66
作為陶瓷3D打印領域的技術領先者 ，3DCERAM將攜最新的陶瓷+多材料3D打印以及陶瓷3D打?。ㄐ?em>材料研發-后處理）全流程解決方案重磅亮相，超多精彩看點等您來。
3DCERAM源自法國，作為陶瓷增材制造的領先者，經過20年的積累，將自身在材料領域的技術經驗與3D打印完美的結合在一起，形成了一套快速制備復雜結構陶瓷的獨特技術，并且由于光固化技術的廣泛通用性，打印材料的種類可從非金屬延申到部分金屬材質。
△SLA光固化+直寫式（Hybrid）多材料3D打印系統
基于3DCERAM設備高度開放的軟件系統和光固化打印技術廣泛的適用性，目前可打印的材質已不限于常規的氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷，山東大學等相關單位開始利用光固化技術制備鐵氧體材料、高熵合金、高溫合金等，當然也包括在參與的3D打印制備燃料電池項目計劃中的陶瓷/金屬復合光固化3D打印。
據南極熊了解，3DCERAM從2021起推出了“打印材料開放計劃”，旨在通過與相關材料研發單位合作，推動打印材料本土化，同時推進光固化陶瓷打印材料、光固化金屬打印材料、光固化復合打印材料的研發及在相關領域的應用.
展開 解讀特種耐高溫材料，特種陶瓷及不定形耐火材料在鑄造領域的使用方法
山東銘特陶瓷材料有限公司，專業生產特種耐高溫材料，特種陶瓷及不定形耐火材料?，F產品包括石墨制品，鋁鎂、鋁碳、鋁硅系列復合材料，高純石英制品。產品服務于鋼鐵連鑄，有色金屬，玻璃建材，國防等領域。
隨著行業的發展及市場要求的提高，我公司秉承服務、創新、共享的理念，不斷開發研究新材料、新產品，讓客戶獲得更 好的使用效果，以更優質的產品和材料為客戶創造價值。
一、石墨坩堝
產品介紹及使用方法:
秦總：13031661586
二、 石英坩堝
產品介紹及使用維護:
石英坩堝主要化學成分是二氧化硅，除氫 氟 酸外不與其它酸作用，易與苛性堿及堿
金屬碳酸鹽作用。
石英坩堝對熱的穩定性很好，可直接放在火焰上加熱。
石英坩堝和玻璃器皿一樣，容易破碎，使用時要特別小心。
展開 彈丸侵徹碳化硅陶瓷/纖維復合材料靶板，對稱模型、復合材料鋪層、材料方向、粘結接觸、無反射邊界設置 ￥9.9
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石英坩堝對熱的穩定性很好，可直接放在火焰上加熱。
石英坩堝和玻璃器皿一樣，容易破碎，使用時要特別小心。
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展開 陶瓷材料的脆性和解決對策
脆性是無機非金屬材料的一個共同的致命的弱點，陶瓷的脆性，其直觀表現是：在外加負荷下，斷裂是無先兆的，暴發的。間接表現是:抗機械沖擊性和溫度急變性差。脆性，也是衡量陶瓷材料性能的重要特征之一，是陶瓷材料的致密弱點。
陶瓷脆性的本質主要由化學鍵性質和晶體結構所決定，在陶瓷中缺少獨立的滑移系，材料一旦處于受力狀態就難于通過滑移所引起的塑性形變來松弛應力。從顯微結構上看，脆性的根源在于微裂紋的存在，易于引起應力高度集中，繼而微裂紋擴展以致斷裂。
陶瓷材料的脆性特征：
1、共價鍵特征
陶瓷材料中組成化學鍵的原子間有許多空隙，難以引起位錯的移動。
共價鍵有方向性，會使晶體結構復雜，且具有較高的抗畸變和阻礙唯一運動的能力。
2、顯微結構特征
陶瓷材料屬于多晶體，為多相結構，它的晶界會阻礙位移，聚集的位移會引起裂紋的形成，加上實際晶體結構中點、線、面缺陷的存在，且其內部還存在顯微和亞顯微裂紋，其結構上的不均勻性更是在所難免。
此外，晶界、氣孔、晶相、二相夾雜以及裂紋等顯微結構因素，都能導致陶瓷材料呈現脆性。
3、無塑變特征
常溫下大多數陶瓷材料在外力作用下沒有或只有很小的塑性變形，這就導致陶瓷材料斷裂時都比較突然，即呈現出脆性。
脆性斷裂是當材料受力后將在低于其本身結合強度的情況下作應力再分配，而外加應力的速率超過應力再分配的速率時沒有其它吸收能量的過程，應力無法松弛，則集中用于裂紋的擴展上，使得擴展速度十分迅速，最終導致突發性破壞。脆性斷裂是裂紋擴展的終結。
顯微結構與脆性的關系：
1、晶粒尺寸與裂紋
由于陶瓷制備工藝的復雜性，晶內裂紋的存在幾乎不可避免，減少晶粒尺寸可以使陶瓷材料脆性得到改善。
晶粒尺寸減小，晶粒增多，會加大裂紋擴展的阻力。
展開 航天特種材料及工藝技術研究所《ACS AMI》：結構穩健的耐1400℃ 陶瓷納米棒氣凝膠隔熱材料
第一作者：張恩爽
通訊作者：張昊 研究員，李文靜 研究員
第一單位：航天特種材料及工藝技術研究所
DOI：10.1021/acsami.1c02501
在國家自然科學基金(52075510)的支持下，航天特種材料及工藝技術研究所張昊團隊在耐高溫氣凝膠隔熱材料方面取得新進展。在過去近10年時間里，該團隊先后開發出耐650℃和耐1200℃氣凝膠為代表的高性能氣凝膠隔熱材料。本文中，作者針對航空航天領域對高性能、耐1400℃以上氣凝膠隔熱材料的使用需求，設計和制備了一種氧化鋁納米棒，并通過將氧化鋁納米棒與二氧化硅納米顆粒的組裝和退火過程，實現了耐1400℃氣凝膠材料的制備。一方面，納米棒一維單元克服了傳統珍珠項鏈狀氣凝膠骨架的弱點，克服高表面能帶來的燒結問題；另一方面，得益于納米棒的自支撐作用，熱處理過程使合適的硅鋁組分在高溫下生成了耐高溫的莫來石相，并保持三維網絡骨架結構，最終使得該材料耐溫性突破了1400℃。相關研究成果以題為“Insulating and Robust Ceramic Nanorods Aerogels with High-Temperature Resistance over 1400 ℃”發表在ACS Applied Materials & Interfaces上，論文第一作者為張恩爽博士，張昊研究員和李文靜研究員為論文的共同通訊作者。航天特種材料及工藝技術研究所為第一單位。
陶瓷氣凝膠具有耐高溫、抗氧化及熱導率低等特點，尤其是在極端條件下具有良好的隔熱性能。然而，大多數陶瓷氣凝膠是由氧化物陶瓷納米顆粒構成的，在高溫(高于1200℃)下往往存在脆性和結構坍塌的問題。
展開 