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  • 企業介紹
    我國電子陶瓷技術發展的戰略思考

    一、序言

     

          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物質基礎。近年來,隨著電子信息技術的集成化、薄型化、智能化和小型化,基于半導體技術的有源器件和集成電路發展迅速,而無源電子元件日益成為電子元件技術發展的瓶頸。因此,電子陶瓷材料及其制備和加工技術日益成為制約電子信息技術發展的重要核心技術之一。中國是一個擁有無源電子元件的大國。從產品產量來看,無源元件的產量占世界的40%以上;但不是強國,零部件產值不到全球產值的四分之一,高端零部件嚴重依賴進口。電子陶瓷材料和技術是制約高端元器件發展的重要因素之一。從戰略角度研究國內外電子陶瓷材料及元件技術的發展現狀,分析我國相關領域存在的問題及對策,具有重要意義。

     

     

    二、國際電子陶瓷產業技術發展現狀與趨勢

     

           從全球電子陶瓷行業的技術水平來看,日本和美國處于世界領先地位。其中,日本以其超大規模生產和先進的制備技術,在世界電子陶瓷市場處于領先地位,占世界電子陶瓷市場的50%以上。美國在基礎研究和新材料開發方面實力雄厚,注重產品的前沿技術及其在軍事領域的應用,如水聲、電光、光電、紅外技術、半導體封裝等。此外,韓國在電子陶瓷領域發展迅速,引起了人們的關注。

     

    (一)半導體陶瓷產業

           半導體陶瓷是一種能將濕度、氣體、力、熱、聲、光、電等物理量轉化為電信號的信息功能陶瓷材料。用途廣泛,是物聯網技術的主要基礎材料,如正溫度系數熱敏電阻(PTC)、負溫度系數(NTC)、變阻器,以及氣體和濕度傳感器。熱敏陶瓷和壓電陶瓷的產量和產值是半導體陶瓷材料中最高的。國際上,熱敏電阻陶瓷材料和器件技術最先進,產量最大,年產量約占世界總量的60% ~ 80%,如村田、紫普電子有限公司、三菱集團、TDK-EPC、石祖卡、美國VISHAY、德國EPCOS等,近年來,國外陶瓷半導體器件正朝著高性能、高可靠性、高精度、多層芯片、規?;较虬l展。目前,國外一些大型企業已經陸續推出了一些基于多層陶瓷技術的芯片半導體陶瓷器件,成為敏感器件領域的高端產品。

     

    (二)微波介質陶瓷產業

           微波介質陶瓷是無線通信設備的基石。廣泛應用于移動通信、導航、全球衛星定位系統、衛星通信、雷達、遙測、藍牙技術、無線局域網(WLAN)等領域。由微波介質陶瓷制成的濾波器、諧振器、振蕩器等元器件廣泛應用于5G網絡,其質量在很大程度上決定了微波通信產品的最終性能、尺寸極限和成本。低損耗、高穩定性和高調制性的微波電磁介質材料是目前國際上的核心技術。在發展初期,微波介質陶瓷材料在美國、日本、歐洲等國家和地區形成了激烈的競爭,但后來日本逐漸占據了明顯的優勢。隨著第三代移動通信和數據微波通信的快速發展,美國、日本和歐洲對這一高科技領域的發展進行了戰略調整。從近期的發展趨勢來看,美國以非線性微波介質陶瓷和高介電常數微波介質陶瓷技術為戰略重點,歐洲則以固定頻率諧振器用材料為重點,日本則依托其產業優勢,大力推進微波介質陶瓷的標準化和高品質化。目前,微波介質材料和器件的生產水平在村田、京瓷、TDK工程總承包、美國Trans-Tech公司等行業中處于領先地位。

     

    (三)高性能壓電陶瓷產業

           壓電陶瓷是一種重要的換能材料,具有優異的機電耦合性能,廣泛應用于電子信息、機電換能、自動控制、微機電系統和生物醫學儀器中。為了滿足新的應用要求,壓電器件正朝著多層化、芯片化和小型化的方向發展。近年來,一些新型壓電器件,如多層壓電變壓器、多層壓電驅動器和片式壓電頻率器件,不斷得到發展,并廣泛應用于電氣、機電和電子領域。同時,在新材料方面,無鉛壓電陶瓷的發展取得了重大突破,有可能使無鉛壓電陶瓷在很多領域取代鋯鈦酸鉛(PZT)基壓電陶瓷,推動綠色電子產品的升級換代。此外,壓電材料在下一代能源技術中的應用開始出現。近十年來,隨著無線和低功耗電子設備的發展,利用壓電陶瓷的微能量收集技術的研究和開發受到各國政府、機構和企業的高度重視。

     

    (四)片式電感器產業

           片式電感是另一種大功耗的無源電子元件,是三類無源片式元件中最復雜的技術,其核心材料是磁性陶瓷(鐵氧體)。目前,全球片式電感器的總需求約為1萬億片,年增長率超過10%。在開發和生產片式電感器方面,日本的產量約占世界總產量的70%。其中,TDK工程總承包、村田、太陽誘惑有限公司一直掌握著該領域的前沿技術。據工業智能網(IEK)統計,在全球感應器市場中,TDK-EPC、太陽感應發電有限公司和村田的產量約占全球市場的60%。片式電感的主要發展趨勢包括小尺寸、高電感、高功率、高頻、高穩定性和高精度。其技術核心是軟磁鐵氧體和具有低溫燒結特性的介電材料。

     

    (五)多層陶瓷電容器(MLCC)

           電子陶瓷的主要應用領域是無源電子元件。MLCC是目前應用最廣泛的無源元件之一,主要用于各種電子機器中的振蕩、耦合和濾波光纖通道,其應用領域涉及自動儀器、高清多媒體、汽車電器、通信、計算機等行業。MLCC在國際電子制造業中占有越來越重要的地位,特別是隨著消費電子產品、通信、計算機、網絡、汽車、工業和國防終端客戶需求的不斷增加,全球市場達到數百億美元,并以每年10% ~ 15%的速度增長。自2017年以來,由于供求關系,MLCC產品經歷了幾次漲價。日本是MLCC的主要生產國。日本的紐拉塔、京瓷、泰洋宇登和TDK森科、韓國的三星汽車有限公司、臺灣的華信科技有限公司和郭巨有限公司都是世界著名的MLCC生產商。MLCC的主流發展趨勢是小型化、大容量、薄層化、基底金屬化和高可靠性。其中,內電極基底金屬化的相關技術是近年來發展最快的。使用賤金屬內電極是降低MLCC成本的最有效途徑,而實現賤金屬金屬化的關鍵技術是開發高性能抗還原鈦酸鋇陶瓷。日本在21世紀初已經完成了這項技術的開發,并一直處于世界領先地位。目前,其所有的大容量MLCC已實現基礎金屬化。小型化一直是MLCC發展的主要趨勢。隨著電子設備向小型化、便攜化方向發展,產品更新換代很快,小型化產品需求旺盛,如圖1所示。實現元器件小型化的基礎材料技術是陶瓷介質層的減薄技術。目前,日本企業在世界上處于領先地位,他們生產的MLCC厚度已達100萬。其中,處于領先地位的村田和太陽感應電氣有限公司的研發水平達到了0.3 m,介質減薄的基礎是介質材料的減薄。在大容量薄MLCC元件單層厚度逐漸減小的同時,為了保證元件的可靠性,作為MLCC陶瓷介質主晶相的鈦酸鋇需要進一步細化,從200~300 nm細化到80 ~ 150 nm的粒徑。未來的發展趨勢是制備粒徑≤150納米的鈦酸鋇作為MLCC介電層的主要晶相材料。

     

    三、我國電子陶瓷與元器件發展的現狀

     

           我國是電子元件大國,多種電子陶瓷產品的產量居世界首位,已經形成了一批在國際上擁有一定競爭力的元器件產品生產基地,同時擁有全球最大的應用市場。然而,目前高端電子陶瓷材料市場主要為日本企業所壟斷,國內生產的材料少部分用于高端元器件產品,大部分用于中低端元器件產品;國內高水平科研成果在轉化過程中遭遇來自原材料、生產裝備、穩定性等方面的瓶頸,所占市場份額相對較低。

          

           在產業技術方面,我國的電子陶瓷及其元器件產品生產基地已經形成了相當的規模,并擁有國際先進的生產水平。其中風華高新科技股份有限公司是國際上為數不多的集電子元器件、電子材料、電子專用設備“三位一體 ” 的產業體系的綜合性企業;順絡電子股份有限公司在片式電感器和低溫共燒陶瓷(LTCC)產品方面在國際上競爭優勢明顯;潮州三環(集團)股份有限公司、深圳宇陽科技發展有限公司等陶瓷電子元器件行業中的龍頭骨干企業也都在國際上具有一定影響力,得到了國家一系列研發計劃的支持。由清華大學和風華高新科技股份有限公司牽頭,聯合 20 家大中型企業、研究機構和高校組建的電子技術創新戰略聯盟對于推動功能陶瓷片式元器件與無源集成產業陶瓷材料研究開發和產業的結合發揮了重要作用。

     

    (一)MLCC 產業

           我國 MLCC 行業規模較大,已經形成了一批以風華高新科技股份有限公司、深圳宇陽科技發展有限公司為代表的具有國際競爭力的大企業,并在國際競爭中占有一席之地。然而,由于全球頂級的MLCC 制造廠商如日本的太陽誘電株式會社、村田、京瓷株式會社、 TDK-EPC 和韓國的三星電機有限公司等大型企業陸續在中國內地建立了制造基地,把產能向中國大陸轉移,目前國內一半以上的MLCC 產量被外資和合資企業占據。同時,國內市場高端 MLCC 產品主要依賴進口。由于缺少自主知識產權和先進工藝設備,高性能陶瓷粉體、電極漿料、先進生產設備都大量依賴于國外廠商。從市場情況看, MLCC 消費主要集中在亞洲,占全球MLCC 消費量的 75%,而中國占到一半以上。隨著移動通信產品等整機制造業的不斷擴張,我國的MLCC 產品需求仍在迅速增長。

     

    (二)片式電感器產業

           我國從 20 世紀 90 年代初開始開發、生產片式電感器及相關材料。目前已基本建立起了一個傳統與新型產品兼顧、具有相當經濟規模、在國際市場占據一定地位的電感器行業,產量約占世界總產量的 20%。其中深圳順絡電子股份有限公司已經憑借材料和工藝方面的技術優勢在國際競爭中占有一席之地。然而,目前國內片式電感生產廠商依然存在一些問題,大部分產品面向消費類電子產品,應用于通信領域和汽車電子領域的這類基礎元件主要被日本、韓國和我國臺灣的企業所壟斷。同時,低端市場的價格戰造成了國內片式電感生產廠商利潤空間的萎縮。目前,全球市場對片式電感器的需求在不斷增長,市場結構也在不斷變化,尤其是移動無線通信領域的增長速度驚人。以手機為代表的移動通信產品的生產廠家大部分在中國,而目前大部分用于移動通信的片式電感器件由國外供貨。計算機和汽車電子也是國內對高端片式電感器產品需求增長較快的領域。未來一段時期,我國在高端片式電感器方面的市場缺口會相當大。

     

    (三)高性能壓電陶瓷產業

           在高性能壓電陶瓷及元器件方面,我國內地壓電陶瓷企業數量較多,但多數企業是中小企業,產品結構以低端產品為主。盡管在過去幾十年中我國壓電陶瓷的研究開發取得了一批有自主知識產權的技術成果。但從目前行業的總體情況看,其市場競爭力、產業技術水平亟待提高,產品結構有待升級。隨著信息技術、新能源技術、生物醫學以及航空航天技術的迅速發展,一些新型的壓電陶瓷器件的應用市場將迅速崛起,成為壓電陶瓷器件的市場主體。

     

    (四)微波介質陶瓷產業

            在微波介質陶瓷材料方面,我國微波電磁介質的研究起步較早,基本上與發達國家同步,早期主要圍繞國防軍工上的關鍵微波器件的需求開展研究開發和生產。近十幾年來,形成了若干個一定規模的企業,如武漢凡谷電子股份有限公司、佳利電子有限公司、大富科技股份有限公司、深圳順絡電子股份有限公司、江蘇燦勤科技股份有限公司等。但這些企業與國際知名大企業相比較,在技術水平、產品品種和生產規模上仍有較大差距。以第五代移動通信(5G)、無線互聯網、無線傳感網以及以衛星通信與定位系統為代表的無線信息技術迅速崛起,對高性能微波器件提出了更高的要求,其發展空間很大。

     

    (五)半導體陶瓷產業
          目前,國內多數半導體陶瓷及相關敏感器件的生產企業在 20 世紀 90 年代成立,以外資企業與民營企業為主體。外資企業以獨資或合資的方式在國內市場迅速建立了生產基地,其技術優勢顯著,產品性能優良,出口量較大,在國內高端市場上占據著主導地位。從技術方面看,民營企業生產工藝落后,在原材料、生產設備、檢測設備、質量控制等我國電子陶瓷技術發展的戰略思考方面還存在較大不足,導致國內產品線單一,產品結構以中低端為主,無法滿足高端市場的需求。從未來需求方面看,物聯網和傳感網的迅猛發展將帶來我國半導體陶瓷傳感器需求的爆炸式增長,未來還將面臨較大的發展空間。

     

    四、電子陶瓷材料重大技術需求分析

     

          隨著電子信息產品向寬帶化、小型化、集成化、無線/移動化和綠色化方向的進一步發展,電子陶瓷元件的多功能、多層、多層芯片和芯片元件集成已經成為發展的主流。這些新趨勢對電子陶瓷材料提出了一系列新的要求,如材料的細晶粒微觀結構、材料功能的多樣化、電磁特性的高頻低損耗等。相關材料技術日益成為制約信息技術發展的瓶頸技術。未來幾年,電子陶瓷材料發展中亟待解決的關鍵技術問題包括以下幾個方面。 

     

          滿足電子元器件小型化/微型化的電子信息系統用新型電子陶瓷材料及其關鍵技術。如納米晶材料制備技術、超薄陶瓷膜成型技術等。超低損耗介電陶瓷材料適用于低能量無線/移動信息系統中的關鍵微波組件。 

     

           適應新一代移動通信技術特征頻率的新型電子陶瓷材料。隨著5G、6G技術的發展,通信頻段逐漸從微波向毫米波推進,對適應更高頻段的新型電子陶瓷,尤其是陶瓷介質材料的需求將急劇增加,因此迫切需要開發相關材料和器件。

     

           用于無源元件集成和無源-有源集成以及模塊化的新型電子陶瓷材料?;贚TCC技術的無源集成技術將有更大的發展空間,與該技術兼容的各種功能陶瓷材料及其共燒技術是一個亟待克服的技術瓶頸。 

     

           電子信息系統多功能新功能電子陶瓷材料。具有電、磁、光、熱耦合行為和超常電磁特性的新型多功能陶瓷材料體系,以及在復雜外場或極端環境條件下工作時具有穩定性和優異使用性能的新型信息功能陶瓷材料等。其他技術領域也對電子陶瓷材料提出了新的要求。在能源材料方面,固體燃料電池、太陽能電池、半導體照明技術的進一步發展,有賴于電子陶瓷材料及其制備技術的突破,隨著物聯網和傳感器網絡的興起,各種不同功能的傳感器要求出現性能越來越高的新型敏感陶瓷材料。

     

    五、我國電子陶瓷產業發展面臨的障礙

     

          當前我國在電子陶瓷及其元器件產業發展中面臨的主要問題包括以下幾點。

     

    (一)國內產業鏈對自主創新的支撐不完善

           電子陶瓷材料處于產業鏈中上游,其前端是原材料,后端是元器件。由于元器件工藝設備、技術標準等主要來自國外,同時國內原材料產品在穩定性、一致性方面與國外產品相比尚有差距,制約了國內電子陶瓷材料在元器件產品中的規?;瘧?。特別是一些具有原創性的材料,由于與已有元器件技術缺乏兼容性,難以獲得應用,使得國內電子陶瓷材料和元器件難以在行業中進入領跑地位。

     

    (二)研究成果轉化機制有待完善

           國內電子陶瓷材料的研發工作分散于少數高校、研究院所和少部分大型企業,在高校和研究院所中,分屬于材料和元器件的不同領域,各自的側重點差別大,相互之間脫節,缺乏材料、工藝、元器件集成的系統性研究。研發成果向產業化的轉化不及時、不充分。高校、研究院所與企業在體制上分離,交流協作不充分,缺乏一個能將成果及時、有效轉化和具體實現“產學研”相結合的有效機制。高校和研究院所的研究成果往往停留在實驗室工作階段,沒有產品的小試、量產驗證,而企業中的研發往往又因實驗分析設備的缺乏而不夠深入。

     

    (三)規?;a工藝裝備水平有待提高

          目前國內高端電子陶瓷材料和元器件的工藝裝備仍以進口為主。由于技術更新換代較快,先進的技術很難進入國內,導致規?;a水平難以在全球處于領導地位。以國內陶瓷無源元件行業的龍頭企業為例,風華高新科技股份有限公司、順絡電子股份有限公司和宇陽科技發展有限公司均是主要從事片式元器件生產的國內骨干企業,但其高端產品技術水平與國際知名企業TDK-EPC、太陽誘電株式會社等都存在很大的差距。

     

    (四)社會重視程度嚴重不足

          電子陶瓷材料在電子信息技術中的重要地位僅次于半導體。然而,與半導體技術相比,社會各界的重視程度嚴重不足。正如日本村田(中國)公司總裁丸山英毅所指出:中國在國策上對于芯片、半導體是有扶持的,但是對于元器件,沒有大的支持力度,所以中國的元器件企業更多的是自己發展。由于社會投入不足,企業缺乏吸引高水平人才的機制,研發力量薄弱,研發經費缺乏,難以適應日新月異的研發需求。

     

    六、電子陶瓷產業發展的戰略目標與路徑

     

    (一)總體思路

          進一步加大電子陶瓷材料及相關元器件的研發投入,重點突破電子陶瓷高端材料、先進加工工藝技術和裝備關鍵技術,加速電子陶瓷材料與元器件全產業鏈的國產化和自主創新,形成相關技術的自主知識產權系統和技術優勢;完善電子陶瓷材料成果產業化的機制,建立具有國際先進水平的電子陶瓷材料研發系統和生產基地,以及國際一流的元器件工藝制造基地。使我國在超薄型金屬內電極MLCC及其鐵電陶瓷材料產業化技術、低溫燒結高性能片式電感器(MLCI)及其鐵氧體材料產業化技術、高性能壓電陶瓷及其新型元器件產業化技術、高儲能密度介電陶瓷材料及其工程化制備技術、微波介質陶瓷產業化技術以及半導體陶瓷及敏感元器件產業化技術等若干領域達到國際領先水平。

     

    (二)戰略目標

          面向信息技術等領域的迫切需求,進一步加大電子陶瓷技術的研究開發及其產業升級的扶植力度,突破困擾該產業技術進步的關鍵技術,使我國在該領域的技術水平走進世界前列。力爭在2025 年大部分水平與美國、日本接近,2035年成為全球高端電子陶瓷材料和元器件的主要來源地(見圖2)。

     

    (三)重點發展方向

         1.新一代電子陶瓷元件與材料重點突破量大面廣的無源電子元件,如MLCC、片式電感器、陶瓷濾波器的器件所需的高端電子陶瓷材料技術,發展出擁有自主知識產權的材料配方和規?;a技術,形成穩定的生產規模。重點突破高端電子陶瓷元件中材料精密成型和加工的關鍵工藝技術和裝備,保證薄型化多層陶瓷技術所需的關鍵納米陶瓷材料的自主穩定供應,形成無源集成關鍵設備的自主研發和生產能力。

     

          高性能、低成本 MLCC 材料與元件。加強高性能抗還原陶瓷介質粉體材料及規?;a;重點研發薄型化功能陶瓷成型技術與裝備,納米晶陶瓷燒結技術,超薄型多層陶瓷結構內電極技術等。

     

          新型片式感性元件與關鍵材料。加強高性能低溫燒結鐵氧體及低介低損耗陶瓷介質粉體材料及規?;a,研發多層陶瓷精密互聯技術及其裝備,小型化微波段片式電感器布線設計技術等。

     

          高性能多層片式敏感元件與材料。重點研究高性能片式熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、光敏陶瓷規?;a技術,微納尺度多層片式敏感陶瓷傳感器制備工藝技術與表征技術等。

     

          高性能壓電陶瓷材料。重點研究壓電陶瓷材料凈尺寸成型與加工及其產業化技術,壓電微型電源應用的高性能多層壓電材料制備及產業化技術,高性能多層無鉛壓電陶瓷材料和新型元件可工程化和產業化的先進制備技術。

     

          新一代電磁波介質陶瓷材料。面向 5G、6G通信技術的新型電磁波介質材料,重點研究片式高頻低損耗微波介質陶瓷及其規?;a技術,片式高性能低成本復合電磁波介質陶瓷及其基礎材料的規?;a技術及裝備,人工片式電磁波介質的設計、制備與規?;a技術。

     

    2. 無源集成模塊及關鍵材料與技術

          無源集成技術得以進入實用化和產業化階段,很大程度上取決于 LTCC 技術的突破。目前,雖然開發出了一些各具優勢的無源集成技術,但是主流技術仍以 LTCC 為主。一方面,優化材料 LTCC 性能及制備方法,提高在國際高端應用中的占比;另一方面,兼顧其他幾類無源集成技術,研究開發相應的關鍵材料、關鍵技術和重要模塊。

         (1)系列化 LTCC 用電磁介質材料的研究。重點研究具有系列化介電常數和磁導率、滿足 LTCC性能和工藝要求的陶瓷材料粉體和生產帶,形成我國在 LTCC 材料領域的自主知識產權。

         (2)無源集成模塊的關鍵制備工藝研究。重點研究無源集成模塊制備的若干關鍵性工藝過程,如厚膜與薄膜制備工藝、微孔成孔與注漿工藝、精密導體漿料印刷工藝、陶瓷共燒工藝等。

         (3)無源集成模塊設計與測試方法。研究內容包括無源集成模塊設計軟件的開發,新型無源集成結構特性的模擬與仿真,高集成度無源集成模塊的設計,以及無源集成模塊的測試技術等。

     

    七、政策建議

     

          我國電子陶瓷材料及元件領域已經形成了良好的工業技術基礎。然而,作為一種重要的戰略性新材料,電子陶瓷在高端電子陶瓷領域的強勁發展仍然受到一些關鍵材料技術、工藝技術和設備技術的制約。為了實現中國高端電子陶瓷產業的主導發展,迫切需要加強頂層總體規劃。 

         (一)將無源元件、關鍵電子陶瓷材料和無源電子元件納入國家半導體產業發展戰略布局統籌考慮,在國家支持微電子產業的重大研發計劃中設立無源元件專項,將國家支持芯片產業發展的各項優惠政策延伸至電子陶瓷和無源電子元件產業。 

         (二)加大科研人員和資金投入,總體上增強R&D實力,加強研究單位之間的直接聯系、交流與合作,打造以新材料研究為基礎,具有較強研究背景和器件應用研究能力的綜合性研發機構;建立能及時有效轉化成果的有效機制,實現產學研結合。 

         (三)對電子陶瓷材料及元器件產業鏈上下游企業進行統籌規劃,加強原材料供應鏈,確保高純度、高穩定性電子陶瓷原絲供應,大力開展高端工藝裝備研發,加強無源元器件自主創新和整機行業設計,加強相關標準建設。

     

     

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