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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(shù)：次

金屬導電，塑膠不導電，大家都耳熟能詳?shù)?，但是陶瓷材料具有的極為寬廣的電氣特性，從絕緣體，到半導體，導體、甚至超導體的性能你又是否了解呢？正是由于陶瓷材料具有如此的“天賦異稟”，才能在電子工業(yè)被大量應(yīng)用。伴隨著電子信息技術(shù)的集成化、微型化和智能化發(fā)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(wěn)定發(fā)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(fā)越發(fā)受到重視。

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

首先看一下電子陶瓷的定義。電子陶瓷是指應(yīng)用于電子技術(shù)中的各種陶瓷，也就是在電子工業(yè)中用于制造電子元件和器件的陶瓷材料，一般分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷（電功能為主）。其中的結(jié)構(gòu)陶瓷指的是制造電子元件、器件、部件和電路中的基體、外殼、固定件和絕緣零件等陶瓷材料，又稱裝置瓷，大致可分為：電真空瓷、電阻基體瓷和絕緣零件，而功能陶瓷則是用于制造電容器、電阻器、電感器、換能器、濾波器、傳感器等，在電路中起一種或多種作用的陶瓷材料，可分為電容器瓷、鐵電瓷、壓電瓷、半導體瓷和磁性瓷等。

（電子陶瓷產(chǎn)業(yè)鏈上下游如下圖）

電子陶瓷材料以電、磁、光、熱和力學等特性及其相互轉(zhuǎn)化為主要特征，是電子、通訊、自動控制、信息計算機、激光、醫(yī)療、機械、汽車、航空、航天、核技術(shù)和生物技術(shù)等眾多高技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵材料，據(jù)稱電子陶瓷的產(chǎn)值占先進陶瓷總值約7成，有著顯著的社會效益和客觀的經(jīng)濟效益，是經(jīng)濟發(fā)達國家、地區(qū)的優(yōu)先發(fā)展對象。電子陶瓷按其應(yīng)用及功能性可分為：絕緣裝置瓷、介電陶瓷（主要用于電容器）、半導體陶瓷、導電陶瓷、超導陶瓷等。

常見的電子陶瓷類型簡單介紹：

①絕緣陶瓷裝置瓷

簡稱裝置瓷，具有優(yōu)良的電絕緣性能，主要用來隔絕、支撐電路上的電子線路、防止導體因相互接觸而產(chǎn)生短路的現(xiàn)象、起到固定與保護電子元件的作用，并提供電路的散熱功能，絕緣陶瓷具有高溫穩(wěn)定性、不產(chǎn)生有害氣體、良好化學穩(wěn)定性及較高的機械強度等優(yōu)點。裝置瓷包括各種絕緣子、線圈骨架、電子管座、波段開關(guān)、電容器支柱支架、集成電路基片和封裝外殼等。

氮化鋁基板：“俺是散熱高手”

隨著電氣電子設(shè)備向高功率、高度集成化及小型化的發(fā)展，設(shè)備單位體積內(nèi)的長熱量“暴增”，因此當前高導熱的絕緣基片材料備受關(guān)注。目前高導熱的陶瓷基板材料常見的陶瓷封裝基板材料主要包括氧化鋁，氧化鈹和氮化鋁，當然氮化硅基板因具有極高的熱導率及機械性能也是被看好的基板材料之一（但目前量產(chǎn)困難）。其中，氧化鋁陶瓷價格適中，因其具有良好的耐熱沖擊性和電絕緣性以及成熟的制造和加工技術(shù)而被廣泛使用；氮化鋁則具有遠遠高于（約7倍或以上）氧化鋁基板的導熱率，在某些尖端應(yīng)用領(lǐng)域有著不可取代的作用。

陶瓷絕緣體在高頻的環(huán)境下操作具有較低的信號失真效應(yīng)，可應(yīng)用于高頻無線通信用途上，如短距離無線通信的藍牙模塊及無線區(qū)域網(wǎng)路通信上。

②介電陶瓷

介電陶瓷設(shè)絕緣陶瓷本質(zhì)上屬于同一類陶瓷，但是與絕緣陶瓷不同的是，主要利用介電性能的陶瓷稱為介電陶瓷?；蛘哒f，介電陶瓷是通過控制陶瓷的介電性質(zhì)，使之具有較高的介電常數(shù)、較低的介質(zhì)損耗和適當?shù)慕殡姵?shù)溫度系數(shù)的一類陶瓷。介電陶瓷是電子陶瓷中產(chǎn)量最大的一支，主要用于陶瓷電容器和微波介質(zhì)元件。

介電陶瓷：“俺一般用來整電容器”（圖片來源：村田）

介電陶瓷是怎么工作的？設(shè)想在平行板電容器的兩板上，充以一定的電荷，當兩板間存在電介質(zhì)時，兩板的電位差總是比沒有電介質(zhì)存在（真空）時低，在介質(zhì)表面會出現(xiàn)感應(yīng)電荷，如下圖所示。

電介質(zhì)極化示意圖（圖片來源：村田）

電容器陶瓷介質(zhì)材料的品種極為繁多，有低頻的BaTiO₃系瓷料，高頻的MgTiO₃、CaTiO₃系瓷料，高壓大容量的SrTiO₃系瓷料，低頻高介獨石電容器用的Pb（Mg，Nb）O₃系瓷料等等。目前，國內(nèi)外均已按ε值（從幾到幾千，甚至到幾萬）和ε的溫度系數(shù)（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(chǎn)，以滿足不同的需要。

微波介質(zhì)陶瓷的種類也不少。當前主要有（Mg，Ca）TiO₃系（ε≈20）和BaO·4TiO₂系、2BaO·TiO₂系、Pb（Mg，Nb）O₃系、Pb（Zn，Nb）O₃系、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(shù)極低（可接近于零）的瓷料。微波介質(zhì)陶瓷的主要用途是用作微波介質(zhì)諧振器及微波集成電路基片等。

③半導體陶瓷

在一般印象中陶瓷是電的絕緣體，主要是由于其電子能階中的導電帶與價電帶的能隙過大，電子無法被激發(fā)躍升至導電帶，形成可導電的自由電子，因而成為絕緣體。若在陶瓷中摻雜一些不同電價的元素，則能在導電帶與價電帶之間創(chuàng)造出施體或受主能階，減小能階的間隙，形成半導體陶瓷，使得陶瓷體可以導電。

裝置瓷、電容器瓷、鐵電壓電瓷：電阻系數(shù)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(shù)約為10³～10⁶歐姆˙公分，電導系數(shù)則會受到物質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)、晶格缺陷、雜質(zhì)含量及種類的影響。半導體瓷的應(yīng)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：有些半導性陶瓷的導電性因溫度的不同變化很大，可以用來量測溫度，以PTC（正溫度系數(shù)）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。

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④導電陶瓷

還是上文那句老話：陶瓷是良好的絕緣體，它一般不導電。例如在氧化物陶瓷中，原子的外層電子通常受到原子核的吸引力，被束縛在各自原子的周圍，不能自由運動，所以氧化物陶瓷通常是不導電的絕緣體。然而，某些氧化物陶瓷加熱時，處于原子外層的電子可以獲得足夠的能量，以便克服原子核對它的吸引力，而成為可以自由運動的自由電子，這種陶瓷就變成導電陶瓷。

材料的總電導率由電子電導率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，形成所謂的電子導電（陶瓷：“自由電子我木有”）；②電子與原子核一起移動產(chǎn)生所謂的離子導電。對金屬來說，電子導電是其導電的主要方式，相比之下，離子導電幾乎可忽略不計。但對多晶陶瓷或非晶態(tài)玻璃等材料來說，由于離子電導活化能比較低（一般在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。

常見的快離子導電陶瓷材料分為3類：a.銀、銅的鹵族和硫族化合物，金屬原子在化合物中鍵合位置相對隨意；b.具有β-Al₂O₃結(jié)構(gòu)的高遷移率單價陽離子氧化物；c.具有氟化鈣(CaF2)結(jié)構(gòu)的高濃度缺陷的氧化物，如CaO·ZrO₂、Y₂O₃·ZrO₂。

快離子導體（固體電解質(zhì)）陶瓷材料是一種新型且有特殊功能的儀器儀表材料，由于每種快離子導體都有一種起主宰作用的遷移離子，故它們具有很好的離子選擇性。根據(jù)離子傳導性對周圍物質(zhì)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(tài)離子選擇電極、氣(液、濕、熱、壓)敏傳感器、高純物質(zhì)提取裝置等；利用快離子導體內(nèi)某些離子的氧化-還原著色效應(yīng)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(guān)、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(yīng)用范圍及很好的應(yīng)用前景。

⑤超導陶瓷

1973年，人們發(fā)現(xiàn)了超導合金--鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K，該記錄保持了13年。1986年，設(shè)在瑞士蘇黎世的美國IBM公司的研究中心報道了一種氧化物（鑭-鋇-銅-氧）具有35K的高溫超導性，打破了傳統(tǒng)“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(xiàn)象，是指在某一臨界溫度下物體電阻為零的現(xiàn)象。超導現(xiàn)象可以用來作為電力輸送與超導磁鐵之用，雖然許多物質(zhì)在接近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(tài)氮冷卻的情況下就可以呈現(xiàn)超導現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，當使用紅外激光脈沖照射釔鋇銅氧化物材料時，它會在室溫條件下短暫地顯示出超導性。