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高性能電子陶瓷的粉體怎么制備

高性能電子陶瓷的粉體怎么制備

編輯:轉自:材料科學與工程技術 發布時間:2024-04-26
電子陶瓷的優良性能基于其粉體的高質量。因此,高質量陶瓷粉體的制備是獲得性能優良電子陶瓷的關鍵。而高純、超細、高性能陶瓷粉體制造技術卻是制約我國先進電子陶瓷產業發展的主要瓶頸。全球約65%的電子陶瓷粉被日本企業壟斷,日本Sakai是全球最大的電子陶瓷粉體材料生產商,全球市場份額約28%,其次是美國Ferro及日本化學NCI,分別占比約28%、14%。

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▲電子陶瓷粉體(圖源:風華高科)
電子陶瓷粉體技術及市場現狀分析
電子陶瓷粉體是制造電子陶瓷元器件的主要原料,常見的電子陶瓷材料有:鈦酸鋇、MLCC介質材料、微波介質材料、鐵氧體磁性材料、二氧化鈦、消費電子外殼材料、氧化鋁粉體、勃姆石粉體等。下面來了解一下幾種關注度較高的電子陶瓷粉體材料,并分析其技術及市場的現狀。
① 高純氧化鋁
目前常用的電子封裝陶瓷材料中,氧化鋁具有較為優異的綜合性能,是目前電子行業中應用最廣的陶瓷材料。其中電子陶瓷應用最廣的是4N高純氧化鋁,整體純度99.99%。
高純氧化鋁如何更好地應用在電子陶瓷領域?首先是從微觀形貌上講,關于電子陶瓷領域核心的應用,業內會關注兩個方向:高純氧化鋁的燒結活性和高純氧化鋁的應用特性(即粉體在下游使用的過程當中能更便于加工制造)。

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從微觀形貌來看,高純氧化鋁可以做成球形、刺狀、類球形、棱體狀、納米級片狀等,通過微觀形貌的控制,可能在下游的應用過程中,例如下一步的陶瓷制漿的過程中,通過對微觀形貌它的控制以后,更容易進行很好的分散,解決大顆粒等各方面問題,再下一步燒結的過程中,均勻的顆粒,微觀控制,能按照自身要求更好的掌控晶粒的大小和均勻性。
基于高純氧化鋁的燒結活性和應用特性,棱體狀氧化鋁可以應用于催化劑載體、1μm左右的氧化鋁吸盤;根據導熱材料方面應用,對氧化鋁粉體進行細化,降低表面活性,做成單晶狀;考慮到流延性能的應用,制作成球狀的氧化鋁。適用于不同的拋光應用的氧化鋁,對氧化鋁的形貌和顆粒均勻性進行了單獨處理。
② 鈦酸鋇
鈦酸鋇(BaTiO3)是一種ABO3型鈣鈦礦結構,是目前使用最普遍的電子陶瓷粉體之一,還是制造電子元件的母體材料,因此被人們稱作“電子陶瓷工業的支柱”。根據中國電子元件行業協會公布數據,2022年中國MLCC行業市場規模約為596億元,到2026年預計將達726億元。作為MLCC核心原材料,鈦酸鋇粉體需求將不斷攀升。


在國際市場上,鈦酸鋇粉體生產企業主要有村田、日本住友、杜邦、中央硝子、TDK、日本堺化學等。與國際企業相比,我國鈦酸鋇粉體企業在技術、規模、產品性能等方面仍存在差距,尤其在高端納米鈦酸鋇粉體領域,仍依賴于進口。
另外,微型化的MLCC是后續多層陶瓷電容器發展的主要方向,這主要是因為電子設備逐漸向微型化、薄層化方向發展。在介質層的薄型化方面,日本企業仍處于領先地位,介質層厚度為1μm的多層陶瓷電容器已經量產,研發厚度已達到0.3μm。
介質層薄層化的基礎是鈦酸鋇陶瓷粉體的細化,在多層陶瓷電容器介質層厚度越來越小的情況下,為提高元件的穩定性和可靠性,鈦酸鋇作為多層陶瓷電容器的主要原料,主要使用的鈦酸鋇粉體的尺寸為80-150nm。因此,高性能鈦酸鋇粉體材料是實現高性能MLCC國產化的關鍵。
③ 氮化鋁
氮化鋁(AlN)具有優良的導熱性能、高體積電阻率、高絕緣耐壓、熱膨脹系數、與硅匹配好等特性,常用作陶瓷電子導熱基板和封裝材料,應用前景十分廣闊。

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氮化鋁陶瓷基板是一種新型基板材料,具有良好的導熱性、可靠的電絕緣性、低介電常數和介電損耗、無毒、與硅的熱膨脹系數相匹配等一系列優良特性,被認為是新一代高集成度半導體基板和電子封裝的理想選擇材料。但氮化鋁陶瓷基板核心原料氮化鋁粉的制備工藝復雜、能耗高、周期長、成本高。高成本限制了氮化鋁陶瓷基板的廣泛應用,因此氮化鋁陶瓷基板主要應用于高端行業。


圖片

                                                              ▲德山氮化鋁粉體
高性能氮化鋁粉體是制備高熱導率氮化鋁陶瓷基片的關鍵,目前國外氮化鋁粉制造工藝已經相當成熟,商品化程度也很高。但掌握高性能氮化鋁粉生產技術的廠家并不多,主要分布在日本、德國和美國。
其中,日本德山氮化鋁粉體采用的是“氧化鋁粉碳熱還原法”工藝制備,該方法是以超細氧化鋁粉和高純度碳黑粉作為反應原料,經過球磨混合均勻后,比表面積增大,然后在氮氣氛圍中反應數小時,被還原出的鋁與氮氣作用,生成氮化鋁(國內采用該路線的代表為鉅瓷科技)。
電子陶瓷材料技術未來趨勢和戰略目標
隨著電子信息產品進一步向寬帶化、小型化、集成化、無線 / 移動化、綠色化的方向發展,電子陶瓷元器件的多功能化、多層化、多層元件片式化和片式元件集成化成為發展的主流,這些新的趨勢向電子陶瓷材料提出了一系列新的要求,如材料顯微結構細晶化、材料功能的多樣化、電磁特性的高頻化及低損耗化等。 
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。
小 結
電子陶瓷在小型化和便攜式電子產品中占有十分重要的地位,近年來,我國在電子陶瓷材料的研究與產業化方面有很大發展,但總體來看,我國的電子陶瓷的發展水平與發達國家相比仍存在很大差距。要想國內電子陶瓷行業得到更進一步的發展,解決電子陶瓷粉體材制備的卡脖子問題、積極推進對電子陶瓷粉體的研究開發具有非常重要的意義。



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