半导体

电子陶瓷:产品门类齐全应用领域拓宽

作者:电子信息产业网来源:中国电子报发布时间:2008-11-14 16:11我要评论
中国电子元件行业协会电子陶瓷及器件分会

压电陶瓷的出现和发展给技术进步、新产业的形成,以及我国的经济和社会的发展带来重大影响。压电陶瓷产品全球年销售量正在按15%%左右的速度递增。
上世纪80年代,随着我国电子工业的发展和民品需要,家用电器中对陶瓷滤波器及陶瓷谐振器的需求量迅猛增多,江西景德镇999厂和上海无线电一厂同时引进日本村田压电陶瓷频率元件生产线,从此拉开了我国压电陶瓷产品由军品转为民品的大批生产序幕。通过摸索和消化日本引进线的先进材料和工艺,国内很多中小型的压电陶瓷生产厂家得到了迅速发展,如浙江嘉康电子(原嘉兴电陶厂)、江苏江佳电子、无锡宝通电子、苏州捷嘉电子等。嘉康电子当时的主打产品是压电陶瓷蜂鸣器,每月的产量在上千万只,通过先进工艺线的引进、消化、吸收和提高,很快成为国内产量最大、品种最全的高频器件制造商,到2007年压电陶瓷器件已达7.15亿只。江苏江佳电子开始生产小量的多片陶瓷滤波器,现在已发展成为国内中频陶瓷滤波器最大制造商,到2007年年产量就已经达到4.67亿只。

陶瓷材料取得巨大发展

回顾我国压电陶瓷行业的发展,20年前只有山东大学、清华大学、华南工学院、天津大学、四川大学、上海科大等几所大学设有压电材料及应用的专业,上海硅酸盐研究所、中电科技集团第7研究所和第26研究所等建有压电陶瓷材料和应用研究室,生产厂家只有山东淄博无线电陶瓷厂,主要开展的项目大多与军用产品有关。涉及民用的产品只有大量生产的压电陶瓷蜂鸣器和点火器,小量用于邮电通信的多片陶瓷滤波器、机械滤波器、用于水声和超声的压电陶瓷换能器等。
为了适应各类压电器件对材料性能的不同要求,材料研究人员广泛进行了改性添加剂的研究,开发出了大量高性能压电陶瓷材料。
钛酸铅陶瓷(PT)
上世纪90年代末,为了满足制造10MHz以上高频陶瓷滤波器和陶瓷谐振器的需要,材料研究人员通过对钛酸铅陶瓷材料用少量氧化镧取代,并适量添加锰、铌、铈离子,得到了高频响应好、温度稳定性优良的改性钛酸铅陶瓷材料,其电性能与日本村田同期同类材料相当。同时还研究出了适合用于高温超声换能器的钛酸铅压电陶瓷材料,成功用于高温使用环境的石油深井探测和流量计等。
锆钛酸铅陶瓷(PZT)
上世纪80年代,江西景德镇999厂和上海无线电一厂同时引进日本村田压电陶瓷频率元件生产线,主要原材料靠日本提供,这给国内的大批量生产和降低成本造成了较大的困难,为了打破外国封锁,通过对PZT材料进行研发和改进,很快实现了材料配方的国产化,自主开发的PZT压电陶瓷材料电性能指标完全达到要求。接着又研究出多种适合不同带宽的PZT压电陶瓷材料。
三元系陶瓷
近20年来,我国在三元系压电陶瓷材料的改性研究方面做了大量的继续研究工作,试验了多种元素的组合取代和添加,拓展出许多改性三元系、四元系和多元系材料,如:PCM-PZT、PMS-PZT、PNZ-PNS—PZT、PMS-PNZ-PNS—PZT等,这些材料具有不同的性能,能满足各种需要,使压电陶瓷的应用面得到快速扩展。
无铅压电陶瓷
上述压电陶瓷均含有大量的铅,制造过程会导致环境污染,为了减少污染,国内外科研人员开展了无铅系压电陶瓷的研究,与含铅系压电陶瓷材料相比、无铅系压电陶瓷的性能明显不同于含铅压电陶瓷,如无铅系压电陶瓷的居里点约高出200℃~300℃,介电常数仅140~150,机械品质因数高达4000~7000。但是,无铅压电陶瓷的机电耦合系数等性能远不如含铅陶瓷,加之制造工艺难以控制,故无铅压电陶瓷仅在一些特定领域应用,其研究工作仍在进行中。

应用快速渗透

经过20年的发展,当今,压电陶瓷产品门类齐全,不仅广泛用于军事和工业领域,还渗透到了人们日常生活的每个角落。其应用领域主要涉及以下5个方面:
第一,频率控制器件。近几年发展较快的有陶瓷谐振器、陶瓷滤波器,还有调谐音叉滤波器、机械滤波器、陶瓷鉴频器、陷波器和延迟线。其中陶瓷谐振器、陶瓷滤波器产量已经占我国压电陶瓷产品的65%%以上,相当引人注目。特别是陶瓷谐振器具有高稳定、无需调节、尺寸小和成本低等特点。典型的应用有:电视机、摄录像机、计算机、CD-ROM驱动器、汽车电器、VCD、电话机、复印机、语音合成器、遥控器和玩具等。
第二,压电超声换能器。压电超声换能器是发射和接收超声波的声学器件,在水和空气介质中广泛应用。在水声通信中起雷达的作用,被称为声呐,是各类舰船必不可少的重要传感器。在工业中,超声换能器已被用于超声清洗、超声精密加工、超声加湿、超声乳化、超声种子处理、超声探伤和超声诊断等。当今,压电超声换能器的另一广泛应用领域是遥测、遥控系统和报警系统。
第三,压电发声器。压电发声器的典型产品是压电蜂鸣器和压电送、受话器、手表、计算器、电子闹钟、小型警铃以及电话、手机的振铃都离不开蜂鸣器。带有晶体管振荡电路和直流电源的蜂鸣器可发出连续声音,带有开关电路的蜂鸣器可发出断续声音,属于声换能器的水下微音器和扬声器还可用来驱赶或引诱鱼群。
第四,计测和控制用压电器件。计测和控制用压电器件主要有压力、加速度、角速度传感器以及超声测深、超声测厚、超声测流速、超声诊断等。
第五,压电点火器和压电变压器。1965年开始批量生产压电点火器,近20年来得到了更快的发展,我国目前几乎所有煤气灶、浴室煤气锅炉、煤气房间加热器、煤气热水器和香烟打火机都用压电点火器。压电变压器具有结构简单、尺寸小、变压比高、机电转换效率高、无电磁干扰和安全等优点,故用于静电除烟器、负离子发生器、静电涂覆设备、静电复印机、电场治疗仪和液晶背光源等。

声表面波形成完整体系

声表面波器件是电子陶瓷领域一个热门产品。声表面波(SAW)是沿物体表面传播的一种弹性波,我国声表面技术的开发从1970年开始,经过了37年的研究和发展,已基本形成了从理论研究、晶体材料生长加工、器件设计和生产以及系统应用的完整体系。
我国声表面波技术的发展大致可以分为3个阶段:第一阶段,声表面波技术应用于军事领域开发与应用。声表面波技术开发的最初动力各国都来源于国防军事领域,我国也不例外;雷达、通信、导航和电子对抗等均采用了各种各样的SAW信号处理器件。第二阶段,声表波技术应用于广播电视领域。第三阶段,声表面波技术应用于现代通信。
声表面波在我国经历了30多年的发展,涌现了30多家大大小小的生产企业,虽然厂家众多,但技术水平和生产规模有限,除中电科技的第26、55研究所、德清华莹电子有限公司、无锡好达电子有限公司等在生产技术、规模和产品种类上有一定的优势外,余者规模小,主要以生产电视中频滤波器、谐振器以及对讲机滤波器等工艺要求相对较低的产品为主,产品价格低廉。
从产品的封装上看,电视中频声表面波滤波器由金属封装朝塑壳封装方向发展,由于塑壳封装具有体积小、重量轻的特点,特别是在一体化高频头中可以体现其优势,国内很多生产企业都开发了自己的塑封产品,从规模上看,无锡好达电子有限公司和中电科技德清华莹电子有限公司在塑封产品上占据了较大的市场份额。
SMD产品目前国内能批量化生产的最小尺寸是3mm×3mm,主要生产单位有中电科技的55所、德清华莹、26所和无锡好达电子有限公司等。现RF滤波器的主流产品封装都是采用2.5mm×2.0mm以下的倒装焊技术,故国内目前SAWRF滤波器生产受到了很大的限制,由于成本、技术等因素,国内几家有实力的研究所和生产企业都还无在缩小产品封装上进一步投入的计划,南阳金冠集团曾投入了部分倒装焊设备,但还不具生产能力。
我国声表面波产品的基础研究特别是低损耗设计技术,目前主要以中电科技第26研究所、南京大学以及中科院声学所3家科研机构为主力,另外中电科技德清华莹、55所和无锡好达等单位也具备一定的产品开发能力。
我国的声表面波行业和国外相比,总体存在不小的差距。产品研发没有太多的科研机构和大专院校作为技术支撑,缺乏一支基础研究的队伍,由于市场竞争的因素,各单位各自为政,缺乏学术交流,很多小企业不具研发能力。从生产技术和生产规模上看,和国际上的一些知名公司如EPCOS、Murata、Fujistu、SANYO等相比还存在着很大差距,包括封装技术、自动化程度、工艺水平、生产规模等。
随着市场竞争加剧,目前整个声表产业的赢利普遍不高,最大市场手机RF滤波器已经在维持水平上生产,失去了投资机会。要想未来在行业里有一定生存地位,必须通过自己的技术进步,不断提高产品成品率、降低生产成本、提高产品质量,增强规模化生产能力。我们认为,我国声表面波行业在未来发展上,可以做以下几方面工作:第一,加强行业内相互合作和资源整合。第二,扩大国际技术合作。第三,积极探索新的应用领域。声表面波技术除了目前的常规应用外,还有在传感器、射频设别(RFID)等方面的一些特殊用途。

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电子陶瓷材料发展趋势

在高温高性能压电陶瓷材料方面,随着钢铁、化工、能源、航空航天的发展,需要高精度驱动器、探测换能器和传感器等压电器件在高温(可达600℃~800℃)恶劣环境中工作。航空器引擎的振动控制、载液态(蒸汽)金属管道的无损探伤、钢铁和化工工业、热网、电网以及核电工业的高温流量探测和控制、焊接管道的无损探伤、高精度传感驱动器件等领域,对压电材料的高温应用都提出了迫切要求。
在无铅压电陶瓷材料方面,以机电能量转换为其特征的压电陶瓷材料目前大规模使用的是铅基压电陶瓷,其中PbO约占原料的60%%~70%%左右。这些含铅压电陶瓷材料在生产、使用及废弃后处理过程中都会给人类和生态环境带来严重危害。为了保护地球和人类的生存空间,防止环境污染,研究和开发实用化的无铅压电陶瓷材料是一项具有重大社会和经济意义的课题。

电子陶瓷应用发展趋势

具有更薄更小尺寸的片式压电陶瓷频率元器件;频率更高的压电陶瓷谐振器;具有更高频率精度,更优异频率稳定性,可靠性更高的压电陶瓷频率元器件;具有优异的耐热性,能适用无铅回流焊需要的片式陶瓷频率元器件;不含或少含有毒、有害元素的片式压电陶瓷频率元器件的应用会受到关注。
另外,利用压电陶瓷换能器产生的超声波处理废水及有毒水。具有径向尺寸小、输出力矩大、可控性强等特点的超声电机;防盗、测高、汽车防撞、遥控开关和机器人测距离等超声传感器;伺服位移制动器、光学应变镜、应变光栅、超精密导向机构、切磨误差补偿制动器、油压伺服阀等应特别关注。

责任编辑:电子信息产业网
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