高质量陶瓷粉体的制备是获得高性能电子陶瓷的关键!
电子陶瓷的优良性能基于其粉体的高质量。因此,高质量陶瓷粉体的制备是获得性能优良电子陶瓷的关键。而高纯、超细、高性能陶瓷粉体制造技术却是制约我国先进电子陶瓷产业发展的主要瓶颈。全球约65%的电子陶瓷粉被日本企业垄断,日本Sakai是全球最大的电子陶瓷粉体材料生产商,全球市场份额约28%,其次是美国Ferro及日本化学NCI,分别占比约28%、14%。
电子陶瓷粉体是制造电子陶瓷元器件的主要原料,常见的电子陶瓷材料有:钛酸钡、MLCC介质材料、微波介质材料、铁氧体磁性材料、二氧化钛、消费电子外壳材料、氧化铝粉体、勃姆石粉体等。下面来了解一下几种关注度较高的电子陶瓷粉体材料,并分析其技术及市场的现状。
① 高纯氧化铝
目前常用的电子封装陶瓷材料中,氧化铝具有较为优异的综合性能,是目前电子行业中应用最广的陶瓷材料。其中电子陶瓷应用最广的是4N高纯氧化铝,整体纯度99.99%。
高纯氧化铝如何更好地应用在电子陶瓷领域?首先是从微观形貌上讲,关于电子陶瓷领域核心的应用,业内会关注两个方向:高纯氧化铝的烧结活性和高纯氧化铝的应用特性(即粉体在下游使用的过程当中能更便于加工制造)。
从微观形貌来看,高纯氧化铝可以做成球形、刺状、类球形、棱体状、纳米级片状等,通过微观形貌的控制,可能在下游的应用过程中,例如下一步的陶瓷制浆的过程中,通过对微观形貌它的控制以后,更容易进行很好的分散,解决大颗粒等各方面问题,再下一步烧结的过程中,均匀的颗粒,微观控制,能按照自身要求更好的掌控晶粒的大小和均匀性。
基于高纯氧化铝的烧结活性和应用特性,棱体状氧化铝可以应用于催化剂载体、1μm左右的氧化铝吸盘;根据导热材料方面应用,对氧化铝粉体进行细化,降低表面活性,做成单晶状;考虑到流延性能的应用,制作成球状的氧化铝。适用于不同的抛光应用的氧化铝,对氧化铝的形貌和颗粒均匀性进行了单独处理。
② 钛酸钡
钛酸钡(BaTiO3)是一种ABO3型钙钛矿结构,是目前使用最普遍的电子陶瓷粉体之一,还是制造电子元件的母体材料,因此被人们称作“电子陶瓷工业的支柱”。根据中国电子元件行业协会公布数据,2022年中国MLCC行业市场规模约为596亿元,到2026年预计将达726亿元。作为MLCC核心原材料,钛酸钡粉体需求将不断攀升。
在国际市场上,钛酸钡粉体生产企业主要有村田、日本住友、杜邦、中央硝子、TDK、日本堺化学等。与国际企业相比,我国钛酸钡粉体企业在技术、规模、产品性能等方面仍存在差距,尤其在高端纳米钛酸钡粉体领域,仍依赖于进口。
另外,微型化的MLCC是后续多层陶瓷电容器发展的主要方向,这主要是因为电子设备逐渐向微型化、薄层化方向发展。在介质层的薄型化方面,日本企业仍处于领先地位,介质层厚度为1μm的多层陶瓷电容器已经量产,研发厚度已达到0.3μm。
介质层薄层化的基础是钛酸钡陶瓷粉体的细化,在多层陶瓷电容器介质层厚度越来越小的情况下,为提高元件的稳定性和可靠性,钛酸钡作为多层陶瓷电容器的主要原料,主要使用的钛酸钡粉体的尺寸为80-150nm。因此,高性能钛酸钡粉体材料是实现高性能MLCC国产化的关键。
③ 氮化铝
氮化铝(AlN)具有优良的导热性能、高体积电阻率、高绝缘耐压、热膨胀系数、与硅匹配好等特性,常用作陶瓷电子导热基板和封装材料,应用前景十分广阔。
氮化铝陶瓷基板是一种新型基板材料,具有良好的导热性、可靠的电绝缘性、低介电常数和介电损耗、无毒、与硅的热膨胀系数相匹配等一系列优良特性,被认为是新一代高集成度半导体基板和电子封装的理想选择材料。但氮化铝陶瓷基板核心原料氮化铝粉的制备工艺复杂、能耗高、周期长、成本高。高成本限制了氮化铝陶瓷基板的广泛应用,因此氮化铝陶瓷基板主要应用于高端行业。
高性能氮化铝粉体是制备高热导率氮化铝陶瓷基片的关键,目前国外氮化铝粉制造工艺已经相当成熟,商品化程度也很高。但掌握高性能氮化铝粉生产技术的厂家并不多,主要分布在日本、德国和美国。
其中,日本德山氮化铝粉体采用的是“氧化铝粉碳热还原法”工艺制备,该方法是以超细氧化铝粉和高纯度碳黑粉作为反应原料,经过球磨混合均匀后,比表面积增大,然后在氮气氛围中反应数小时,被还原出的铝与氮气作用,生成氮化铝(国内采用该路线的代表为钜瓷科技)。
面向信息技术等领域的迫切需求,进一步加大电子陶瓷技术的研究开发及其产业升级的扶植力度,突破困扰该产业技术进步的关键技术,使我国在该领域的技术水平走进世界前列。力争在2025 年大部分水平与美国、日本接近,2035 年成为全球高端电子陶瓷材料和元器件的主要来源地。
电子陶瓷在小型化和便携式电子产品中占有十分重要的地位,近年来,我国在电子陶瓷材料的研究与产业化方面有很大发展,但总体来看,我国的电子陶瓷的发展水平与发达国家相比仍存在很大差距。要想国内电子陶瓷行业得到更进一步的发展,解决电子陶瓷粉体材制备的卡脖子问题、积极推进对电子陶瓷粉体的研究开发具有非常重要的意义。