电子陶瓷:我是绝缘体，也是半导体，导体、甚至超导体 - 技术科普 - 新闻动态

電子陶瓷:我是絕緣體，也是半導體，導體、甚至超導體

日期：2021-04-06 瀏覽次數：次

金屬導(dao)(dao)(dao)電，塑膠不導(dao)(dao)(dao)電，大(da)家都耳熟能詳的，但是(shi)(shi)(shi)陶(tao)瓷材料(liao)具有(you)的極為寬廣的電氣(qi)特性，從絕(jue)緣體，到半導(dao)(dao)(dao)體，導(dao)(dao)(dao)體、甚至超導(dao)(dao)(dao)體的性能你(ni)又是(shi)(shi)(shi)否了解呢？正是(shi)(shi)(shi)由于陶(tao)瓷材料(liao)具有(you)如此的“天賦異稟”，才能在電子工業被大量應用。伴隨著電子信息技術的集成化、微型化和智能化發展，電子元器件正逐步邁向微型化、薄膜化、多功能、高性能、高可靠性和高穩定發展，因此多能的，完美匹配得上如上需求的電子陶瓷材料的研究和開發越發受到重視。

電子陶瓷：“俺可以可滿足電子產品輕、薄、短、小的發展趨勢”（圖片來源：村田制造所）

首先(xian)看一下(xia)電子陶(tao)瓷(ci)的定義(yi)。電(dian)(dian)子陶(tao)瓷(ci)是指應用于電(dian)(dian)子技術(shu)中(zhong)的各(ge)種陶(tao)瓷(ci)，也就(jiu)是在電(dian)(dian)子工業中(zhong)用于制造電(dian)(dian)子元(yuan)件和(he)器(qi)件的陶(tao)瓷(ci)材料，一(yi)般分為結構陶瓷(ci)和功能陶瓷(ci)（電功能為主）。其中的結構陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)指的是(shi)制造(zao)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)元件、器(qi)件、部件和電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)中的基體(ti)、外殼、固定(ding)件和絕緣(yuan)零(ling)件等(deng)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)材料，又稱裝置(zhi)瓷(ci)(ci)(ci)，大(da)致可分為：電(dian)(dian)(dian)(dian)真(zhen)空(kong)瓷(ci)(ci)(ci)、電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)基體(ti)瓷(ci)(ci)(ci)和絕緣(yuan)零(ling)件，而功能陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)則是(shi)用于制造(zao)電(dian)(dian)(dian)(dian)容器(qi)、電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)器(qi)、電(dian)(dian)(dian)(dian)感器(qi)、換能器(qi)、濾波器(qi)、傳感器(qi)等(deng)，在電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)中起一種或多(duo)種作(zuo)用的陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)材料，可分為電(dian)(dian)(dian)(dian)容器(qi)瓷(ci)(ci)(ci)、鐵電(dian)(dian)(dian)(dian)瓷(ci)(ci)(ci)、壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)瓷(ci)(ci)(ci)、半導體(ti)瓷(ci)(ci)(ci)和磁性瓷(ci)(ci)(ci)等(deng)。

（電子陶瓷產業鏈上下游如下圖）

電子陶瓷(ci)材料(liao)以電、磁、光、熱和力學等特性及其相互轉化為(wei)主(zhu)要(yao)特征，是電子、通(tong)訊、自(zi)動控制、信息計算機、激光(guang)、醫(yi)療、機械、汽車、航(hang)(hang)空、航(hang)(hang)天、核技術和生(sheng)物技術等眾多高技術領(ling)域中的關鍵材料，據(ju)稱電子陶(tao)瓷(ci)的產值占先進陶(tao)瓷(ci)總值約7成，有著(zhu)顯著(zhu)的社會效(xiao)益和客觀的經濟效(xiao)益，是經濟發達國家(jia)、地區的優(you)先發展對象(xiang)。電子陶(tao)瓷(ci)(ci)按其應用(yong)及功能性(xing)可分為：絕緣裝置(zhi)瓷(ci)(ci)、介電陶(tao)瓷(ci)(ci)（主要用(yong)于電容器）、半導(dao)體陶(tao)瓷(ci)(ci)、導(dao)電陶(tao)瓷(ci)(ci)、超導(dao)陶(tao)瓷(ci)(ci)等。

常見的電子陶(tao)瓷(ci)類型簡單介紹(shao)：

①絕緣陶(tao)瓷裝置瓷

簡稱裝置瓷(ci)，具有優良(liang)的電絕緣性(xing)能，主(zhu)要用來隔(ge)絕、支撐電路(lu)上的電子線路(lu)、防止導體因(yin)相互接觸而產生短(duan)路(lu)的現象、起到固定與保護電子元件的作用，并(bing)提供電路(lu)的散熱功能(neng)，絕緣陶瓷(ci)具有高溫穩定(ding)性、不產生有害氣體、良(liang)好化學穩定(ding)性及較高的(de)機(ji)械強度(du)等優點。裝置(zhi)瓷(ci)包括(kuo)各(ge)種絕緣子、線圈骨架(jia)、電子管座、波段開關、電容器支柱(zhu)支架(jia)、集(ji)成電路基(ji)片和封裝外殼等。

氮化鋁基(ji)板：“俺是散熱高手”

隨著電(dian)氣電(dian)子設(she)備向高功率、高度集成化(hua)及小型化(hua)的發展，設備單位體積內的長(chang)熱量(liang)“暴增”，因(yin)此當(dang)前高導熱的絕緣基片材(cai)料備(bei)受關(guan)注。目前高導熱的陶(tao)瓷(ci)基板材(cai)料常見的陶(tao)瓷(ci)封裝(zhuang)基板材(cai)料主要包括(kuo)氧化(hua)(hua)(hua)鋁，氧化(hua)(hua)(hua)鈹和氮(dan)化(hua)(hua)(hua)鋁，當(dang)然氮(dan)化(hua)(hua)(hua)硅基板因(yin)具有極高的熱導率及機械性能也是被(bei)看好(hao)的基板材(cai)料之(zhi)一（但目前量產困難）。其(qi)中，氧化(hua)(hua)(hua)鋁陶(tao)瓷(ci)價格適(shi)中，因其具(ju)有良好(hao)的(de)耐(nai)熱沖擊性和電絕緣性以及(ji)成熟的(de)制造(zao)和加工(gong)技術而(er)被廣泛使用；氮化鋁則具(ju)有遠(yuan)遠(yuan)高于(yu)（約7倍或以上）氧化鋁基板的導熱率，在某些尖端應用領域有著不可取代的作用。

陶瓷(ci)絕(jue)緣體在(zai)高頻(pin)的環(huan)境下操作(zuo)具有較低的信(xin)號(hao)失(shi)真(zhen)效應，可應用于高頻(pin)無(wu)線通信(xin)用途(tu)上，如短(duan)距離無(wu)線通信(xin)的藍(lan)牙(ya)模塊及無(wu)線區域(yu)網路通信(xin)上。

②介電陶瓷

介電陶(tao)瓷(ci)設絕緣陶(tao)瓷(ci)本質上屬于同一類(lei)陶(tao)瓷(ci)，但(dan)是與絕緣陶(tao)瓷(ci)不同的是，主要利用介電性能的陶瓷(ci)稱為(wei)介電陶瓷(ci)。或者說(shuo)，介(jie)電陶(tao)瓷是通過控制陶(tao)瓷的介(jie)電性質(zhi)，使(shi)之(zhi)具有較高的介(jie)電常數、較低的介(jie)質(zhi)損耗(hao)和適當的介(jie)電常數溫度系數的一類陶(tao)瓷。介電(dian)陶瓷(ci)是電(dian)子陶瓷(ci)中產(chan)量最(zui)大的(de)一支，主要用于陶瓷(ci)電(dian)容器和微波(bo)介質(zhi)元件(jian)。

介電陶(tao)瓷：“俺一般用來整電容器”（圖片來源：村田）

介電(dian)陶瓷是怎么工作的？設想在(zai)平行板電容器的(de)兩板上，充以一(yi)定的(de)電荷(he)，當(dang)兩板間存在(zai)電介質時，兩(liang)板的電(dian)位差總是比沒有電(dian)介質(zhi)存在（真空）時低，在介質(zhi)表(biao)面會出現感(gan)應電(dian)荷，如下圖所示(shi)。

電介(jie)質極化示意圖（圖片來源：村田）

電容器陶瓷介質材料(liao)的品(pin)種極為繁多(duo)，有低(di)頻(pin)的BaTiO₃系瓷料，高頻的MgTiO₃、CaTiO₃系(xi)瓷料，高壓大容(rong)量的SrTiO₃系瓷(ci)料，低(di)頻高(gao)介獨(du)石電容器用的(de)Pb（Mg，Nb）O₃系瓷料等(deng)等(deng)。目前(qian)，國內外均已按ε值（從幾到幾千，甚至到幾萬）和ε的溫度系數（從負幾千到正幾百ppm，包括接近于零值的）將電容器瓷料予以系列化生產，以滿足不同的需要。

微波介質陶(tao)瓷的(de)種類(lei)也不少。當前主要(yao)有（Mg，Ca）TiO₃系（ε≈20）和BaO·4TiO₂系、2BaO·TiO₂系、Pb（Mg，Nb）O₃系、Pb（Zn，Nb）O₃系(xi)、Ba（Zn，Nb）O₃系、Ba（Sr，Ta）O₃系（它們的ε均在30～40之間）以及BaO-Nd₂O₃-TiO₂、BaO-Sm₂O₃-TiO₂稀土混晶系（ε=70～90）等。所有上述物系均可制造出在幾千MHz下，Q（1/tanδ）值不低于3000，而ε溫度系數極低（可接近于零）的瓷料。微波介質陶瓷的主要用途是用作微波介質諧振器及微波集成電路基片等。

③半導體陶瓷

在一般印象(xiang)中(zhong)陶(tao)瓷是電(dian)(dian)(dian)的絕緣(yuan)體，主要是由(you)于(yu)其電(dian)(dian)(dian)子(zi)能階中(zhong)的導電(dian)(dian)(dian)帶與價(jia)電(dian)(dian)(dian)帶的能隙過大，電(dian)(dian)(dian)子(zi)無法被激發躍升至導電(dian)(dian)(dian)帶，形成(cheng)可導電(dian)(dian)(dian)的自由(you)電(dian)(dian)(dian)子(zi)，因(yin)而成(cheng)為絕緣(yuan)體。若(ruo)在陶瓷(ci)中摻雜一些(xie)不同電(dian)(dian)價(jia)的元素，則能在導電(dian)(dian)帶與價(jia)電(dian)(dian)帶之間創造出施體(ti)或受(shou)主能階，減小能階的間隙(xi)，形成(cheng)半(ban)導體(ti)陶瓷(ci)，使得陶瓷(ci)體(ti)可(ke)以導電(dian)(dian)。

裝(zhuang)置(zhi)瓷、電容器瓷、鐵(tie)電壓電瓷：電阻系(xi)數(shu)大于10¹²歐姆˙公分，防止半導化，保證高絕緣電阻率；半導體陶瓷的電阻系數約為10³～10⁶歐姆˙公分，電導系數則會受到物質的能帶結構、晶格缺陷、雜質含量及種類的影響。半導體瓷的應用以電阻型敏感材料為主，其對熱、光、電壓、氣氛、濕度敏感，故可做各種熱敏、光敏、亞敏、氣敏、濕敏材料。

舉個例子：有些半導性陶瓷(ci)的(de)導電性因溫度的(de)不同變化很大，可以(yi)(yi)用來(lai)量測溫度，以(yi)(yi)PTC（正溫度系數）陶瓷做加熱器具有自動控溫的特能，如近來常見的陶瓷暖爐，就是一例。

每次寫(xie)到PTC陶瓷都要不小心放個小廣告

④導電陶瓷

還(huan)是上文那(nei)句老話(hua)：陶(tao)瓷是良好的(de)(de)絕緣體，它一般不導(dao)電(dian)。例如在氧化物(wu)陶瓷中，原子的(de)(de)外層電子通常受到(dao)原子核的(de)吸引力，被束縛在各自原子的周圍(wei)，不(bu)能自由(you)運(yun)動，所以(yi)(yi)氧(yang)化(hua)物陶(tao)瓷通常是(shi)不導電(dian)的(de)絕緣體。然而(er)，某些氧(yang)化(hua)物陶(tao)瓷加熱時，處于(yu)原子(zi)外(wai)層的(de)電(dian)子(zi)可以(yi)(yi)獲得足夠的(de)能量(liang)，以(yi)(yi)便克服(fu)原子(zi)核對(dui)它的(de)吸引力(li)，而(er)成為可以(yi)(yi)自由(you)運動(dong)的(de)自由(you)電(dian)子(zi)，這種(zhong)陶(tao)瓷就變成導電(dian)陶(tao)瓷。

材料的(de)總電導率(lv)由電子(zi)電導率(lv)δe和離子電導率δi兩部分組成，即δ=δe+δi。當電流通過材料時，電子可以有兩種方式通過晶格運動來完成電荷輸運過程：①電子脫離原子成為自由電子，在晶格中運動，形成所謂的電子導(dao)電（陶瓷：“自由電子我木有”）；②電子與原子核一起移動產生所謂的離(li)子(zi)(zi)導電(dian)。對(dui)(dui)金(jin)屬來說，電(dian)子(zi)(zi)導電(dian)是其導電(dian)的主要方式，相比(bi)(bi)之下，離(li)子(zi)(zi)導電(dian)幾乎可(ke)忽略不計。但對(dui)(dui)多晶(jing)(jing)陶(tao)瓷或非晶(jing)(jing)態玻璃等材料來說，由于離(li)子(zi)(zi)電(dian)導活(huo)化能比(bi)(bi)較低(di)（一般在(zai)0.5eV以下），離子導電已不容忽視，甚至是這些材料中的主要導電方式。

常見的(de)快離子(zi)導電陶瓷材料分為3類：a.銀、銅的鹵(lu)族和硫(liu)族化合物(wu)，金屬原(yuan)子在化合物(wu)中鍵(jian)合位置相對(dui)隨意；b.具有β-Al₂O₃結構的高遷(qian)移率單價陽離子氧化(hua)物；c.具有氟化鈣(CaF2)結構的高濃度缺陷的氧化物，如CaO·ZrO₂、Y₂O₃·ZrO₂。

快(kuai)離(li)子導體(ti)（固體(ti)電解質）陶瓷材料是(shi)一種新型且有特殊功能的儀(yi)器儀(yi)表材料，由于(yu)每(mei)種快(kuai)離(li)子導體(ti)都有一種起主(zhu)宰作用的遷(qian)移(yi)離(li)子，故它們具有很好的離(li)子選(xuan)擇性(xing)。根據離(li)子傳導性(xing)對周圍物(wu)質的活度(濃度或分壓)、溫度、濕度、壓力的敏感性，利用快離子導體可制作多種固態離子選擇電極、氣(液、濕、熱、壓)敏傳感器、高純物質提取裝置等；利用快離子導體內某些離子的氧化-還原著色效應可制作電色顯示器等。利用快離子導體充、放電特性可制作庫侖計、可變電阻器、電化學開關、電積分器、記憶元件等多種離子器件，因此該材料有著廣泛的應用范圍及很好的應用前景。

⑤超導(dao)陶瓷

1973年(nian)(nian)，人們(men)發現了(le)超(chao)導(dao)合金(jin)--鈮鍺合金(jin)，其臨界超(chao)導(dao)溫(wen)度為23.2K，該記錄保持了(le)13年(nian)(nian)。1986年(nian)(nian)，設(she)在(zai)瑞士蘇黎世的(de)美(mei)國IBM公司的(de)研究中(zhong)心報(bao)道了(le)一種(zhong)氧(yang)化物(wu)（鑭-鋇-銅-氧(yang)）具有35K的(de)高溫(wen)超(chao)導(dao)性，打(da)破了傳統“氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念，引起世界科學界的轟動。

所謂超導現象(xiang)，是(shi)指在(zai)某一臨界溫(wen)度(du)下物(wu)體電(dian)阻為零的(de)現象(xiang)。超導現象(xiang)可以(yi)用(yong)來作為電(dian)力輸(shu)送與超導磁鐵之用(yong)，雖然許多物(wu)質(zhi)在(zai)接近0K的溫度都具有超導性，但陶瓷超導體的臨界溫度極高，在液態氮冷卻的情況下就可以呈現超導現象，大幅降低冷卻成本。高臨界溫度（90K以上）的超導陶瓷材料組成有YBa₂Cu₃O₇-δ，Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀，Ti₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀。2013年，一個馬普研究所參與的國際研究組發現，當使用紅外激光脈沖照射釔鋇(bei)銅氧化物材料時，它(ta)會(hui)在室溫條(tiao)件下短(duan)暫地顯示出(chu)超(chao)導(dao)性(xing)。