先進陶瓷正逐步推動諸多高技術領域的發(fā)展
編輯：轉(zhuǎn)自：材料科學與工程技術
發(fā)布時間：2023-07-07
先進陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分，成為許多高技術領域發(fā)展的重要關鍵材料，備受各工業(yè)發(fā)達國家的極大關注，其發(fā)展在很大程度上也影響著其他工業(yè)的發(fā)展和進步。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、鐵電、聲光、超導、生物相容等 一系列優(yōu)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(yī)學等國民經(jīng)濟的各個領域。
電子陶瓷行業(yè)：推動電子信息業(yè)迅猛發(fā)展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、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，無源電子元件日益成為電子元器件技術的發(fā) 展瓶頸。而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，越來越成為制約電子信息技術發(fā)展的核心技術之一。從戰(zhàn)略高度研判國內(nèi)外電子陶瓷材料與元器件技術的發(fā)展現(xiàn)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。我國是無源電子元件大國但不是強國。從產(chǎn)品產(chǎn)量上看，我國無源元件的產(chǎn)量占到了全球的 40%以上，多種電子陶瓷產(chǎn)品的產(chǎn)量居世界首位，已經(jīng)形成了一批在國際上擁有一定競爭力的元器件產(chǎn)品生產(chǎn)基地，同時擁有全球最大的應用市場。然而， 我國但元件產(chǎn)值不足全球產(chǎn)值的四分之一，高端元件大量依賴進口。目前高端電子陶瓷材料市場主要為日本企業(yè)所壟斷，國內(nèi)生產(chǎn)的材料少部分用于高端元器件產(chǎn)品， 大部分用于中低端元器件產(chǎn)品；國內(nèi)高水平科研成果在轉(zhuǎn)化過程中遭遇來自原材料、 生產(chǎn)裝備、穩(wěn)定性等方面的瓶頸，所占市場份額相對較低。在產(chǎn)業(yè)技術方面，我國的電子陶瓷及其元器件產(chǎn)品生產(chǎn)基地已經(jīng)形成了相當?shù)囊?guī)模，并擁有國際先進的生產(chǎn)水平。電子元器件是構建電子系統(tǒng)最基礎的部件，不管多么復雜的電子系統(tǒng)，實際上都是由一個個電子元器件組合而成。電子元器件按是否影響電信號特征進行分類， 可分為被動元件與主動元件。其中被動元件無法對電信號進行放大、振蕩、運算等 處理和執(zhí)行，僅具備響應功能且無需外加激勵單元，是電子產(chǎn)品中不可或缺的基本 零部件。電阻、電容、電感是三種最主要的被動元件，其中電容應用范圍較為廣泛。電容器是充、放電荷的被動元件，其電容量的大小，取決于電容器的極板面積、極板 間距及電介質(zhì)常數(shù)。根據(jù)電介質(zhì)的不同，電容器可以分為陶瓷電容器、鋁電解電容器、鉭電解電容器和薄膜電容器等。其中陶瓷電容器因為具備包括體積小、電壓范圍大等特點，目前在電容器市場中占據(jù)超過一半的市場份額。陶瓷電容器可以分為單層陶瓷電容器、片式多層陶瓷電容器和引線式多層陶瓷電容器。其中，MLCC 是由印好電極（內(nèi)電極）的陶瓷介質(zhì)膜片以錯位的方式疊合起來，經(jīng)過一次性高溫燒結形成陶瓷芯片，再在芯片的兩端封上金屬層（外電極）而 成。MLCC 全稱片式多層瓷介質(zhì)電容器，以電子陶瓷材料作為介質(zhì)，將預制好的陶瓷 漿料通過流延方式制成要求厚度的陶瓷介質(zhì)薄膜，然后在介質(zhì)薄膜上印刷內(nèi)電極， 并將印有內(nèi)電極的陶瓷介質(zhì)膜片交替疊合熱壓，形成多個電容器并聯(lián)，并在高溫下一次燒結成一個不可分割的整體電子元器件，最后在電子元器件的端部涂敷外電極 漿料，使之與內(nèi)電極形成良好的電氣連接，形成 MLCC 的兩極。
從需求端看，根據(jù)中國電子元件行業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)顯示，2020 年全球 MLCC 行業(yè)市場規(guī)模達到1017億元，而中國MLCC行業(yè)市場規(guī)模約為460億元，約占全球的45.23%。MLCC 行業(yè)的發(fā)展主要受智能化消費電子產(chǎn)品的普及與更新、新能源汽車和無人駕駛 技術等帶來的汽車電子化水平的提高、5G 通信的推廣和工業(yè)自動化不斷深入等終端 需求驅(qū)動。目前，消費電子產(chǎn)品在 MLCC 的下游應用領域中依然占據(jù)主導地位，但汽車的新能源化趨勢將大大促進中高壓、高容等高端 MLCC 產(chǎn)品的需求增長，因此新能源汽車的大力發(fā)展有望成為行業(yè)新的增長點。消費電子方面，高端手機 MLCC 的用量較 4G 時代約 700 個上升為 1000 個以上。5G 手機功耗更大，終端產(chǎn)品對更小尺寸、更大容量、更低功耗的高端 MLCC 需求持續(xù) 增多，隨著 5G 手機的滲透率不斷提升，預計 2025 年智能手機對 MLCC 的需求量將達 到 14000 億顆。
5G 基站方面，單個 4G 基站 MLCC 需求量約 3750 個，5G 基站需求則大幅提升 4 倍至 15000 個電感需求方面。由于 5G 基站天線通道數(shù)增加，以及天線有源化對天線 設計提出了更高的要求，被動元件需求量大幅增加。數(shù)據(jù)顯示，2019 年，中國 5G 基 站 MLCC 總需求量為 20 億個，2020 年，中國 5G 基站 MLCC 總需求量為 88 億個，較上 年同比增長 340%，觀研報告網(wǎng)預計 2022 年中國 5G 基站 MLCC 總需求量將達 120 億 個。汽車方面，汽車電子發(fā)展對 MLCC 市場規(guī)模推動主要來自汽車電子化率和新能源 汽車滲透率的提高。汽車電子化率方面，從使用量上來看，汽車領域?qū)τ?MLCC 的需 求量顯著高于消費電子，其中動力系統(tǒng)帶來的 MLCC 增量較為顯著。每輛汽車使用的電子元件，中端車平均為 6300 個，高端車為 8200 個，純電動汽車增加到 14000 個， 其中有一半是MLCC，這意味著隨著新能源汽車的不斷普及，MLCC需求量會不斷增長。從發(fā)展方向上看，汽車電子正成為各大主流 MLCC 廠商的主要布局方向，電動車(EV) 的需求亦有望迎來較快增長。上游材料方面，MLCC 使用的陶瓷粉體是在鈦酸鋇基礎粉上添加改性添加劑形成 的配方粉。鈦酸鋇可以作為電介質(zhì)材料的主要原因在于其常溫條件下介電常數(shù)較高， 在 MLCC 的成本結構中占比在 20%-45%之間，粉體的自制直接影響 MLCC 的盈利。因 而 MLCC 下游的高景氣度也會催生大量陶瓷粉體的需求。
供給端，目前能夠?qū)崿F(xiàn)高純度、精細度和均勻度的鈦酸鋇粉體制備的廠商以日 美廠商為主。日本 Sakai 化學、日本化學、日本 FujiTi、美國 Ferro 等占據(jù) 85%左 右份額，可以制備 100nm 粒徑以下的鈦酸鋇粉體。日本堺化學及日本化學合計占據(jù)了 42%的市場份額，美國 Ferro 占據(jù)了 20%的市 場份額。富士鈦（2005 年被石原產(chǎn)業(yè)收購）、日本東邦鈦業(yè)廠商等也占據(jù)主要市場地 位。高純、超細陶瓷粉體的制造工藝是制約國產(chǎn) MLCC 發(fā)展的瓶頸，目前國內(nèi)的陶瓷 粉料廠商如國瓷材料(28.250, 0.03, 0.11%)、風華高科(15.790, -0.02, -0.13%)（維權）、三環(huán)集團(29.800, -0.20, -0.67%)已掌握相關納米分散技術，能夠滿足中 低端 MLCC 的生產(chǎn)需求。但目前一部分特殊功能、超細高純度粉料依舊依賴進口，以 滿足高端 MLCC 的生產(chǎn)需要。
電感是三大被動元器件之一，由于電感較難被集成到集成電路上，集成上去后 品質(zhì)因素不好，因此作為被動元器件器件之一將長期存在。近年來，下游電子產(chǎn)品 出貨量增長不斷帶動電感器需求增長。目前我國電感器件市場中傳統(tǒng)插裝電感器件 仍舊占據(jù)約 30%的市場份額，片式電感器件占據(jù)約 70%的市場份額，其中，繞線片式 電感期間的市場份額約為 7%，疊層片式電感器件的市場份額約為 85%。相較日本、 歐美等發(fā)達國家的片式化率達到85%以上的水平，我國約70%的片式化率水平仍較低， 有較大拓展空間，未來片式原件對傳統(tǒng)元件的替代進程將進一步加快。片式電感的上游原材料包括銀漿、鐵氧體粉、介電陶瓷粉、磁芯、導線等。下游 行業(yè)主要是通訊、電腦、消費類電子、小家電、衛(wèi)星通訊以及汽車電子等領域的終端 電子產(chǎn)品制造業(yè)。需求端，終端產(chǎn)品小型化和多功能化的發(fā)展趨勢，為新型片式電感的應用提供 了日趨廣闊的前景。電感在電子設備(消費電子、汽車、工控、軍工和醫(yī)療等)中必不 可少，有過濾噪聲、處理信號、穩(wěn)定電流和抑制電磁波干擾的功能。隨著中國通訊技術的快速更迭以及物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等相關產(chǎn)業(yè)大規(guī)模建設，中國電感器市場規(guī)模 快遞發(fā)展。2020 年，我國移動通訊、消費電子等行業(yè)快速增長，有利推動電感器件 行業(yè)發(fā)展。由于尚未有官方機構公布中國電感器件行業(yè)市場規(guī)模，前瞻依據(jù)各機構 公布的現(xiàn)有數(shù)據(jù)對中國電感器件行業(yè)市場規(guī)模進行測算。測算可得，2020 年，我國 電感器件行業(yè)業(yè)務規(guī)模約達 117 億元。
供應端，村田及 TDK 是當前全球最大的兩家電感供應商，以其為首的日本廠商 總計約占據(jù)了電感全球市場的 50%。其中，村田在射頻電感方面處于主導地位，而 TDK 及松下則在汽車領域的功率電感具備優(yōu)勢。從國內(nèi)市場上看，國內(nèi)電感器件行業(yè) 主要參與者包括日系廠商及中國本土廠商，中國廠商中，奇力新占據(jù)主要市場，優(yōu)勢領域為電腦、網(wǎng)絡及手機方面的功率電感;順絡電子(25.600, -0.20, -0.78%)是目前中國營收規(guī)模最大的電感企業(yè)。總體來看，國內(nèi)電感器件行業(yè)的競爭者主要分為三個梯隊，第一梯隊以日 系廠商為主，同時包括少部分中國廠商(奇力新、順絡電子);第二梯隊主要為國內(nèi)中 大型廠商，主要包括麥捷科技(8.560, -0.02, -0.23%)、風華高科、合泰盟方、鉑科新材(91.870, 1.63, 1.81%)等企業(yè);第三梯隊為 國內(nèi)中小型企業(yè)，企業(yè)規(guī)模較小，競爭力較弱。壓電陶瓷是一種重要的換能材料，其機電耦合性能優(yōu)良，在電子信息、機電換 能、自動控制、微機電系統(tǒng)、生物醫(yī)學儀器中廣泛應用。為適應新的應用需求，壓電 器件正向多層化、片式化和微型化方向發(fā)展。近年來，多層壓電變壓器、多層壓電驅(qū) 動器、片式化壓電頻率器件等一些新型壓電器件不斷被研制，并廣泛應用于電氣、 機電、電子等領域。同時，在新型材料方面，無鉛壓電陶瓷的研制已取得了較大的突 破，有可能使得無鉛壓電陶瓷在許多領域替代鋯鈦酸鉛（PZT）基的壓電陶瓷，推動 綠色電子產(chǎn)品的升級換代。此外，壓電材料在下一代能源技術中的應用開始嶄露頭 角。過去十年中，隨著無線與低功耗電子器件的發(fā)展，利用壓電陶瓷的微型能量收 集技術的研究與開發(fā)受到各國政府、機構和企業(yè)的高度重視。需求端，根據(jù)辰宇信息咨詢披露，2020 年全球壓電陶瓷技術市場規(guī)模達到了 576 億元，預計 2026 年將達到 745 億元，年復合增長率(CAGR)為 3.7%。。供給端，經(jīng)過不斷發(fā)展，我國壓電材料企業(yè)數(shù)量眾多，能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品種類較 為齊全，涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀企業(yè)，例如天通股份(11.590, -0.02, -0.17%)、中科三環(huán)(13.450, -0.10, -0.74%)、無錫好達電子等。但我國 壓電材料行業(yè)集中度低，排名前三的企業(yè)合計市場份額占比僅為 10%左右，大部分企 業(yè)規(guī)模偏小，資金實力較弱，在研發(fā)、技術、人才等方面較為薄弱，以低端產(chǎn)品生產(chǎn) 為主。在此背景下，我國壓電材料行業(yè)結構發(fā)展不合理，高端產(chǎn)能不足，低端產(chǎn)能過剩。
隨著近年來科技不斷升級，芯片輸入功率越來越高，對高功率產(chǎn)品來講，其封 裝基板要求具有高電絕緣性、高導熱性、與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)等特性。伴隨著功率器件 (包括 LED、LD、IGBT、CPV 等) 不斷發(fā)展，散熱成為影響器件性能與可 靠性的關鍵技術。對于電子器件而言，通常溫度每升高 10°C，器件有效壽命就降 低 30% ~ 50%。因此，選用合適的封裝材料與工藝、提高器件散熱能力就成為發(fā)展 功率器件的技術瓶頸。以大功率 LED 封裝為例，由于輸入功率的 70%-80%轉(zhuǎn)變成為熱量(只有約 20%-30% 轉(zhuǎn)化為光能)，且 LED 芯片面積小，器件功率密度很大(大于 100W/cm2)，因此散熱成 為大功率 LED 封裝必須解決的關鍵問題。如果不能及時將芯片發(fā)熱導出并消散，大 量熱量將聚集在 LED 內(nèi)部，芯片結溫將逐步升高，一方面使 LED 性能降低 (如發(fā) 光效率降低、波長紅移等)，另一方面將在 LED 器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應力，引發(fā)一系列可 靠性問題 (如使用壽命、色溫變化等)。陶瓷基板主要有平面陶瓷基板及多層陶瓷基板。制造高純度的陶瓷基板是很困 難的，大部分陶瓷熔點和硬度都很高，這一點限制了陶瓷機械加工的可能性，因此陶瓷基板中常常摻雜熔點較低的玻璃用于助熔或者粘接，使最終產(chǎn)品易于機械加工。Al2O3、BeO、AlN 基板制備過程很相似，將基體材料研磨成粉直徑在幾微米左右，與不同的玻璃助熔劑和粘接劑（包括粉體的 MgO、CaO）混合，此外還向混合物中加入 一些有機粘接劑和不同的增塑劑再球磨防止團聚使成分均勻，成型生瓷片，最后高溫燒結。
陶瓷基板按照工藝主要分為 DPC、DBC、AMB、LTCC、HTCC 等基板。目前，國內(nèi) 常用陶瓷基板材料主要為 Al2O3、AlN 和 Si3N4。Al2O3陶瓷基板主要采用 DBC 工藝，AlN 陶瓷基板主要采用 DBC 和 AMB 工藝，Si3N4陶瓷基板更多采用 AMB 工藝。近年來，隨 著半導體照明和新型傳感器市場規(guī)模的不斷擴大，陶瓷基板需求隨之增加。特別是 采用激光打孔與電鍍填孔技術制備的 DPC 陶瓷基板，具有圖形精度高、可垂直封裝 等優(yōu)點，大大提高了電子器件封裝集成度，有望在今后的功率器件封裝中發(fā)揮更大 的作用。
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