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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(zhuǎn)自：材料科學(xué)與工程技術(shù) 發(fā)布時間：2024-04-26
電子陶瓷的優(yōu)良性能基于其粉體的高質(zhì)量。因此，高質(zhì)量陶瓷粉體的制備是獲得性能優(yōu)良電子陶瓷的關(guān)鍵。而高純、超細(xì)、高性能陶瓷粉體制造技術(shù)卻是制約我國先進(jìn)電子陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。全球約65%的電子陶瓷粉被日本企業(yè)壟斷，日本Sakai是全球最大的電子陶瓷粉體材料生產(chǎn)商，全球市場份額約28%，其次是美國Ferro及日本化學(xué)NCI，分別占比約28%、14%。

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▲電子陶瓷粉體（圖源：風(fēng)華高科）
電子陶瓷粉體技術(shù)及市場現(xiàn)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(zhì)材料、微波介質(zhì)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(guān)注度較高的電子陶瓷粉體材料，并分析其技術(shù)及市場的現(xiàn)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(yōu)異的綜合性能，是目前電子行業(yè)中應(yīng)用最廣的陶瓷材料。其中電子陶瓷應(yīng)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(yīng)用在電子陶瓷領(lǐng)域？首先是從微觀形貌上講，關(guān)于電子陶瓷領(lǐng)域核心的應(yīng)用，業(yè)內(nèi)會關(guān)注兩個方向：高純氧化鋁的燒結(jié)活性和高純氧化鋁的應(yīng)用特性(即粉體在下游使用的過程當(dāng)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(yīng)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(jìn)行很好的分散，解決大顆粒等各方面問題，再下一步燒結(jié)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(jié)活性和應(yīng)用特性，棱體狀氧化鋁可以應(yīng)用于催化劑載體、1μm左右的氧化鋁吸盤；根據(jù)導(dǎo)熱材料方面應(yīng)用，對氧化鋁粉體進(jìn)行細(xì)化，降低表面活性，做成單晶狀；考慮到流延性能的應(yīng)用，制作成球狀的氧化鋁。適用于不同的拋光應(yīng)用的氧化鋁，對氧化鋁的形貌和顆粒均勻性進(jìn)行了單獨處理。
② 鈦酸鋇
鈦酸鋇（BaTiO3）是一種ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，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(yè)的支柱”。根據(jù)中國電子元件行業(yè)協(xié)會公布數(shù)據(jù)，2022年中國MLCC行業(yè)市場規(guī)模約為596億元，到2026年預(yù)計將達(dá)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(chǎn)企業(yè)主要有村田、日本住友、杜邦、中央硝子、TDK、日本堺化學(xué)等。與國際企業(yè)相比，我國鈦酸鋇粉體企業(yè)在技術(shù)、規(guī)模、產(chǎn)品性能等方面仍存在差距，尤其在高端納米鈦酸鋇粉體領(lǐng)域，仍依賴于進(jìn)口。
另外，微型化的MLCC是后續(xù)多層陶瓷電容器發(fā)展的主要方向，這主要是因為電子設(shè)備逐漸向微型化、薄層化方向發(fā)展。在介質(zhì)層的薄型化方面，日本企業(yè)仍處于領(lǐng)先地位，介質(zhì)層厚度為1μm的多層陶瓷電容器已經(jīng)量產(chǎn)，研發(fā)厚度已達(dá)到0.3μm。
介質(zhì)層薄層化的基礎(chǔ)是鈦酸鋇陶瓷粉體的細(xì)化，在多層陶瓷電容器介質(zhì)層厚度越來越小的情況下，為提高元件的穩(wěn)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(xiàn)高性能MLCC國產(chǎn)化的關(guān)鍵。
③ 氮化鋁
氮化鋁(AlN)具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、高體積電阻率、高絕緣耐壓、熱膨脹系數(shù)、與硅匹配好等特性，常用作陶瓷電子導(dǎo)熱基板和封裝材料，應(yīng)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(dǎo)熱性、可靠的電絕緣性、低介電常數(shù)和介電損耗、無毒、與硅的熱膨脹系數(shù)相匹配等一系列優(yōu)良特性，被認(rèn)為是新一代高集成度半導(dǎo)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(fù)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(yīng)用，因此氮化鋁陶瓷基板主要應(yīng)用于高端行業(yè)。


圖片

                                                              ▲德山氮化鋁粉體
高性能氮化鋁粉體是制備高熱導(dǎo)率氮化鋁陶瓷基片的關(guān)鍵，目前國外氮化鋁粉制造工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，商品化程度也很高。但掌握高性能氮化鋁粉生產(chǎn)技術(shù)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(xì)氧化鋁粉和高純度碳黑粉作為反應(yīng)原料，經(jīng)過球磨混合均勻后，比表面積增大，然后在氮氣氛圍中反應(yīng)數(shù)小時，被還原出的鋁與氮氣作用，生成氮化鋁（國內(nèi)采用該路線的代表為鉅瓷科技）。
電子陶瓷材料技術(shù)未來趨勢和戰(zhàn)略目標(biāo)
隨著電子信息產(chǎn)品進(jìn)一步向?qū)拵Щ⑿⌒突?、集成化、無線 / 移動化、綠色化的方向發(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)細(xì)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(shù)等領(lǐng)域的迫切需求，進(jìn)一步加大電子陶瓷技術(shù)的研究開發(fā)及其產(chǎn)業(yè)升級的扶植力度，突破困擾該產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵技術(shù)，使我國在該領(lǐng)域的技術(shù)水平走進(jìn)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(jié)
電子陶瓷在小型化和便攜式電子產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化方面有很大發(fā)展，但總體來看，我國的電子陶瓷的發(fā)展水平與發(fā)達(dá)國家相比仍存在很大差距。要想國內(nèi)電子陶瓷行業(yè)得到更進(jìn)一步的發(fā)展，解決電子陶瓷粉體材制備的卡脖子問題、積極推進(jìn)對電子陶瓷粉體的研究開發(fā)具有非常重要的意義。