[科普中国]-电子陶瓷

电子陶瓷（electronic ceramic），是指在电子工业中能够利用电、磁性质的陶瓷。电子陶瓷是通过对表面、晶界和尺寸结构的精密控制而最终获得具有新功能的陶瓷。在能源、家用电器、汽车等方面可以广泛应用。

简介广泛用于制作电子功能元件的、多数以氧化物为主成分的烧结体材料。电子陶瓷的制造工艺与传统的陶瓷工艺大致相同。

电子陶瓷或称电子工业用陶瓷，它在化学成分、微观结构和机电性能上，均与一般的电力用陶瓷有着本质的区别。这些区别是电子工业对电子陶瓷所提出的一系列特殊技术要求而形成的，其中最重要的是须具有高的机械强度，耐高温高湿，抗辐射，介质常数在很宽的范围内变化，介质损耗角正切值小，电容量温度系数可以调整（或电容量变化率可调整）．抗电强度和绝缘电阻值高，以及老化性能优异等。

发展过程电子陶瓷材料的发展，同物理化学、应用物理学、硅酸盐物理化学、固体物理学、光学、电学、声学、无线电电子学等的发展密切相关，它们相互促进，从而在电子技术的飞跃发展中，使电子陶瓷也相应地取得了很大进展。

分类电子陶瓷按功能和用途可以分为五类：绝缘装置瓷、电容器瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷和离子陶瓷。

绝缘装置瓷简称装置瓷，具有优良的电绝缘性能，用作电子设备和器件中的结构件、基片和外壳等的电子陶瓷。绝缘装置瓷件包括各种绝缘子、线圈骨架、电子管座、波段开关、电容器支柱支架、集成电路基片和封装外壳等。对这类瓷的基本要求是介电常数ε低，介质损耗tanδ小，绝缘电阻率ρ高，击穿强度E 大，介电温度特性和频率特性好。此外，还要求有较高的机械强度和化学稳定性。

在这类陶瓷中以滑石瓷和氧化铝瓷应用最广。它们的主晶相成分分别为 及 。滑石瓷的电绝缘性优良且成本较低，是用于射电频段内的典型高频装置瓷。氧化铝瓷是一类电绝缘性更佳的高频、高温、高强度装置瓷。其电性能和物理性能随三氧化二铝含量的增多而提高。常用的有含75%、95%、99%三氧化二铝的高铝氧瓷。在一些要求极高的集成电路中，甚至还使用三氧化二铝含量达99.9%的纯刚玉瓷，其性质与蓝宝石单晶相近。高铝氧瓷，尤其是纯刚玉瓷的缺点是制造困难，烧成温度高、价格贵。

装置瓷中还有一类以氧化铍 (BeO）为代表的高热导瓷。含 BeO95%的氧化铍瓷的室温导热率与金属相同。氧化铍还具有良好的介电性、耐温度剧变性和很高的机械强度。其缺点是BeO原料的毒性很大，瓷料烧成温度高，因而限制了它的应用。氮化硼 (BN）瓷和氮化铝（AlN）瓷也属于高热导瓷，其导热性虽不及氧化铍瓷，但无毒，加工性能和介电性能均好，可供高频大功率晶体管和大规模集成电路中作散热及绝缘用。

研制出一类以SiC为基料，掺入少量BeO等杂质的热压陶瓷。这种陶瓷绝缘性能优良，热导率高于纯度为99%的氧化铍瓷。它的热膨胀系数与硅单晶可在宽温度范围内接近一致，可望在功率耗散较大的大规模集成电路中得到应用。

用作碳膜和金属膜电阻器基体的低碱长石瓷也是一类重要而价廉的装置瓷，但其介质损耗较大，不宜在高频下使用。

电容器瓷用作电容器介质的电子陶瓷。这类陶瓷用量最大、规格品种也最多。主要的有高频、低频电容器瓷和半导体电容器瓷。

高频电容器瓷 属于Ⅰ类电容器瓷，主要用于制造高频电路中的高稳定性陶瓷电容器和温度补偿电容器。构成这类陶瓷的主要成分大多是碱土金属或稀土金属的钛酸盐和以钛酸盐为基的固溶体（表1）。

电子陶瓷

选用不同的陶瓷成分可以获得不同介电常数、介质损耗角正切 tanδ和介电温度系数αε的高频电容器瓷料，用以满足各种温度补偿的需要。表中的四钛酸钡瓷不仅是一种热稳定性高的电容器介质，而且还是一种优良的微波介质材料。

低频电容器瓷 属于Ⅱ类电容器瓷，主要用于制造低频电路中的旁路、隔直流和滤波用的陶瓷电容器。主要特点是介电常数ε 高，损耗角正切较大且tanδ及ε随温度的变化率较大。这类陶瓷中应用最多的是以铁电钛酸钡（BaTiO3）为主成分，通过掺杂改性而得到的高ε（室温下可达20000）和ε的温度变化率低的瓷料。以平缓相变型铁电体铌镁酸铅 (PbMg1/3Nb2/3O3）等为主成分的低温烧结型低频独石电容器瓷料，也是重要的低频电容器瓷。

半导体电容器瓷 利用半导体化的陶瓷外表面或晶粒间的内表面（晶界）上形成的绝缘层为电容器介质的电子陶瓷。其中利用陶瓷晶界层的介电性质而制成的边界层电容器是一类新型的高性能、高可靠的电容器，它的介电损耗小、绝缘电阻及工作电压高。这种陶瓷的视在介电常数极高（可达 105以上）、介质损耗小（小于1%）、体电阻率高（高于 1011欧·厘米）、介质色散频率高（高于1吉赫）、抗潮性好，是一种高性能、高稳定的电容器介质。 铁电陶瓷 以铁电性晶体为主晶相的电子陶瓷。已发现的铁电晶体不下千种，但作为铁电陶瓷主晶相的主要有钙钛矿或准钙钛矿型的铁电晶体或固溶体。 在一定的温度范围内晶体中存在着可随外加电场而转变方向的自发极化，这就是晶体的铁电性。当温度超过某一临界值──居里温度TC时，其极化强度下降为零，晶体即失去铁电性，而成为一般的顺电晶体；与此同时，晶体发生铁电相到顺电相的相变。铁电体的极化强度还随电场而剧烈变化。

电子陶瓷

铁电体的重要微观特征是具有电畴结构，即铁电体具有许多沿特定方向自发极化到饱和的小区域──电畴。这些取向不同的电畴以畴壁分开。在相当强的外电场作用下，这种多畴晶体可以被电场强迫取向而单畴化。这种电畴随外电场而反转取向的动力学过程，包括畴壁的运动过程以及新畴成核和成长的过程。

铁电陶瓷功能多、用途广。利用其压电特性可以制成压电器件，这是铁电陶瓷的主要应用，因而常把铁电陶瓷称为压电陶瓷。利用铁电陶瓷的热释电特性（在温度变化时，因极化强度的变化而在铁电体表面释放电荷的效应）可以制成红外探测器件，在测温、控温、遥测、遥感以至生物、医学等领域均有重要应用价值。典型的热释电陶瓷有钛酸铅（PbTiO3）等。利用透明铁电陶瓷PLZT（掺镧的钛锆酸铅）的强电光效应（通过外加电场对透明铁电陶瓷电畴状态的控制而改变其光学性质，从而表现出电控双折射和电控光散射的效应），可以制成激光调制器、光电显示器、光信息存储器、光开关、光电传感器、图像存储和显示器，以及激光或核辐射防护镜等新型器件。

半导体陶瓷通过半导体化措施使陶瓷具有半导电性晶粒和绝缘性（或半导体性）晶界，从而呈现很强的界面势垒等半导体特性的电子陶瓷。

陶瓷半导体化的方法主要有强制还原法和施主掺杂法（亦称原子价控法）两种。两种方法都是在陶瓷的晶体中形成离子空位等缺陷，从而提供大量导电电子，使陶瓷中的晶粒成为某种类型（通常是 N型）的半导体。而这些晶粒之间的间层为绝缘层或另一类型（P 型）的半导体层。

半导体陶瓷种类很多，其中包括利用半导体瓷中晶粒本身性质制成的各种负温度系数热敏电阻；利用晶界性质制成的半导体电容器、ZnO 压敏电阻器、BaTiO3系正温度系数热敏电阻器、CdS/Cu2S太阳能电池；以及利用表面性质制成的各种陶瓷型湿敏电阻器和气敏电阻器等。表2列出典型的传感器用半导体陶瓷。

CdS/Cu2S系光电陶瓷不同于上表所列的利用绝缘晶界层性质的半导体瓷，它所利用的是N型CdS与P型Cu2S晶界层之间的PN异质结的光伏效应。用它制成的陶瓷太阳能电池，可以作为无人值守台站的电源，也可作为电子仪器中的光电耦合器件。

离子陶瓷快离子导电的电子陶瓷。具有快速传递正离子的特性。典型代表是 β-Al2O3 瓷。这种陶瓷在300℃下离子电导率可达0.1/（欧·厘米），可用来制作较经济的高比率能量的固体电池，还可制作缓慢放电的高储能密度的电容器。它是有助于解决能源问题的材料。

研究方向电子陶瓷的研究方向是：

①研究陶瓷的组成、结构和原子价键特性及其相互关系，以改善电子陶瓷的性能；

②研究制造超微粉粒和超纯粉粒以及成型、烧结等工艺，以改善电子陶瓷的制造技术；

③探讨陶瓷中可能存在的各种物理效应，发展新型功能材料及多功能材料；

④应用复合材料的理论和技术，研究以陶瓷为主体的结构复合、物理复合和功能复合的材料；

⑤应用表面分析、能谱分析和计算机模拟等技术，研究陶瓷中晶粒间界面的组成、结构和性质等。

应用前景电绝缘陶瓷的应用前景

电绝缘陶瓷因具备导热性良好、电导率低、介电常数小、介电损耗低、机械强度高、化学稳定性好等特性，被广泛应用于金属熔液的浴槽、熔融盐类容器、封装材料、集成电路基板、电解槽衬里、金属基复合材料增强体、主动装甲材料、散热片以及高温炉的发热件中。在电子、电力工业中，绝缘陶瓷比如电力设备的绝缘子、绝缘衬套、电阻基体、线圈框架、电子管功率管的管座及集成电路基片等主要是用于电器件的安装、保护、支撑、绝缘、连接和隔离。

由于陶瓷的绝缘性主要由晶界相决定，为了提高绝缘性，应尽量避免碱金属氧化物的存在，而且玻璃相应尽量是硼玻璃、铝硅玻璃或硅玻璃。一般来说，陶瓷内部气孔对绝缘性影响不大，但陶瓷表面的气孔会因被污染或吸附水而使表面绝缘性变差，所以绝缘陶瓷应选择无吸水性，气孔少的致密材料。

介电陶瓷的应用前景

介电陶瓷因具有高强度、介电损耗低、耐热性、稳定性等特点，目前被广泛应用于集成电路基板的制造材料。比如氧化铍、氧化铝、氮化铝及碳化硅等可普遍作为集成电路基板的陶瓷材料，其中氧化铍因制造工艺复杂、毒性大及成本高等原因限制了它的使用；而碳化硅的导热性虽然优于氧化铝，且通过热压方法制成的高性能基板，在200摄氏度左右时其性能仍能满足实用要求，但由于热压烧结工艺复杂及添加剂有毒，也限制了它的发展；氮化铝的其他电性能虽然和氧化铝陶瓷大致相当，但其热传导率却是氧化铝瓷的10倍左右，所以极有可能成为超大规模集成电路的下一代优质基板材料。

电绝缘陶瓷因具备导热性良好、电导率低、介电常数小、介电损耗低、机械强度高、化学稳定性好等特性，被广泛应用于金属熔液的浴槽、熔融盐类容器、封装材料、集成电路基板、电解槽衬里、金属基复合材料增强体、主动装甲材料、散热片以及高温炉的发热件中。在电子、电力工业中，绝缘陶瓷比如电力设备的绝缘子、绝缘衬套、电阻基体、线圈框架、电子管功率管的管座及集成电路基片等主要是用于电器件的安装、保护、支撑、绝缘、连接和隔离。由于陶瓷的绝缘性主要由晶界相决定，为了提高绝缘性，应尽量避免碱金属氧化物的存在，而且玻璃相应尽量是硼玻璃、铝硅玻璃或硅玻璃。一般来说，陶瓷内部气孔对绝缘性影响不大，但陶瓷表面的气孔会因被污染或吸附水而使表面绝缘性变差，所以绝缘陶瓷应选择无吸水性，气孔少的致密材料。

介电陶瓷的应用前景

介电陶瓷因具有高强度、介电损耗低、耐热性、稳定性等特点，目前被广泛应用于集成电路基板的制造材料。比如氧化铍、氧化铝、氮化铝及碳化硅等可普遍作为集成电路基板的陶瓷材料，其中氧化铍因制造工艺复杂、毒性大及成本高等原因限制了它的使用；而碳化硅的导热性虽然优于氧化铝，且通过热压方法制成的高性能基板，在200。C左右时其性能仍能满足实用要求，但由于热压烧结工艺复杂及添加剂有毒，也限制了它的发展；氮化铝的其他电性能虽然和氧化铝陶瓷大致相当，但其热传导率却是氧化铝瓷的10倍左右，所以极有可能成为超大规模集成电路的下一代优质基板材料。

发展趋势技术集成化在原有工艺的基础上，电子陶瓷材料制备技术的开发也结合了现代新型工艺的复合工艺。其中，多种技术的集成化是电子陶瓷材料制备技术的新发展趋势，比如纳米陶瓷制备技术及纳米级陶瓷原料、快速成形及烧结技术、湿化学合成技术等都为开发高性能电子陶瓷材料打下了基础。随着多功能化、高集成化、全数字化和低成本方向发展，很大程度上推动了电子元器件的小型化、功能集成化、片式化和低成本及器件组合化的发展进程。

功能复合化在激烈的信息市场的竞争中，单一性能的电子陶瓷器件逐渐失去了竞争力，利用陶瓷、半导体及金属结合起来的复合电子陶瓷是开发各种电子元器件的基础，它是发展智能材料和机敏材料的有效途径，同时也为器件与材料的一体化提供重要的技术支持。

结构微型化目前，电子陶瓷材料与微观领域的联系不断深入，其研究范围也正在延伸。基于电子陶瓷的微型化和高性能正在不断出现，比如在微型化技术和陶瓷的薄膜化的联合运用以生产用于信息控制的高效微装置，电子陶瓷机构和装置尺寸减小的趋势是得益于微型化技术发展而出现的。目前元器件研究开发的一个重要目标是微型化、小型化，其市场需求也非常大；片式化功能陶瓷元器件占据了当前电子陶瓷无元器件的主要市场；比如片式电感类器件、片式压敏电阻、片式多层热敏电阻、多层压电陶瓷变压器等。要实现小型化、微型化的话，从材料角度而言，在于提高陶瓷材料的性能和发展陶瓷纳米技术和相关工艺，所以发展高性能功能陶瓷材料及其先进制备技术是功能陶瓷的重要研究课题。

环保无害化

近年来，随着人类社会的可持续发展以及环境保护的需求，发达国家致力研发的热点材料之一就是新型环境友好的电子陶瓷。作为重要的功能材料，被广泛应用于微机电系统和信息领域的新型压电陶瓷，比如多层压电变压器、多层压电驱动器、片式化压电频率器件、声表面波(SAM)器件、薄膜体声波滤波器等器件也不断被研制出来1。

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学