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電子陶瓷:我是絕緣體，也是半導(dǎo)體，導(dǎo)體、甚至超導(dǎo)體

來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月07日 15:06

金屬導(dǎo)電，塑膠不導(dǎo)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(dǎo)體，導(dǎo)體、甚至超導(dǎo)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(dǎo)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(xué)等特性及其相互轉(zhuǎn)化為主要特征，是電子、通訊、自動(dòng)控制、信息計(jì)算機(jī)、激光、醫(yī)療、機(jī)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(jìn)陶瓷總值約7成，有著顯著的社會(huì)效益和客觀的經(jīng)濟(jì)效益，是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)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(dǎo)體陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)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(dǎo)體因相互接觸而產(chǎn)生短路的現(xiàn)象、起到固定與保護(hù)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(xué)穩(wěn)定性及較高的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。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(dāng)前高導(dǎo)熱的絕緣基片材料備受關(guān)注。目前高導(dǎo)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(dāng)然氮化硅基板因具有極高的熱導(dǎo)率及機(jī)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(jià)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于（約7倍或以上）氧化鋁基板的導(dǎo)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(hào)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(lán)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(dāng)?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(dāng)兩板間存在電介質(zhì)時(shí)，兩板的電位差總是比沒有電介質(zhì)存在（真空）時(shí)低，在介質(zhì)表面會(huì)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(dú)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(fù)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)電帶與價(jià)電帶的能隙過大，電子無法被激發(fā)躍升至導(dǎo)電帶，形成可導(dǎo)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(jià)的元素，則能在導(dǎo)電帶與價(jià)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(dǎo)體陶瓷，使得陶瓷體可以導(dǎo)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(dǎo)化，保證高絕緣電阻率；半導(dǎo)體陶瓷的電阻系數(shù)約為103～106歐姆˙公分，電導(dǎo)系數(shù)則會(huì)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(dǎo)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(gè)例子：有些半導(dǎo)性陶瓷的導(dǎo)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(dòng)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(dǎo)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(dǎo)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(yùn)動(dòng)，所以氧化物陶瓷通常是不導(dǎo)電的絕緣體。然而，某些氧化物陶瓷加熱時(shí)，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(yùn)動(dòng)的自由電子，這種陶瓷就變成導(dǎo)電陶瓷。

材料的總電導(dǎo)率由電子電導(dǎo)率δe和離子電導(dǎo)率δi兩部分組成，即δ=δe+δi。當(dāng)電流通過材料時(shí)，電子可以有兩種方式通過晶格運(yùn)動(dòng)來完成電荷輸運(yùn)過程：①電子脫離原子成為自由電子，在晶格中運(yùn)動(dòng)，形成所謂的電子導(dǎo)電（陶瓷：“自由電子我木有”）；②電子與原子核一起移動(dòng)產(chǎn)生所謂的離子導(dǎo)電。對金屬來說，電子導(dǎo)電是其導(dǎo)電的主要方式，相比之下，離子導(dǎo)電幾乎可忽略不計(jì)。但對多晶陶瓷或非晶態(tài)玻璃等材料來說，由于離子電導(dǎo)活化能比較低（一般在0.5eV以下），離子導(dǎo)電已不容忽視，甚至是這些材料中的主要導(dǎo)電方式。

常見的快離子導(dǎo)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(jià)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體充、放電特性可制作庫侖計(jì)、可變電阻器、電化學(xué)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(dǎo)陶瓷

1973年，人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)合金--鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)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(bào)道了一種氧化物（鑭-鋇-銅-氧）具有35K的高溫超導(dǎo)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(xué)界的轟動(dòng)。

所謂超導(dǎo)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(dǎo)現(xiàn)象可以用來作為電力輸送與超導(dǎo)磁鐵之用，雖然許多物質(zhì)在接近0K的溫度都具有超導(dǎo)性，但陶瓷超導(dǎo)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(dǎo)現(xiàn)象，大幅降低冷卻成本。高臨界溫度（90K以上）的超導(dǎo)陶瓷材料組成有YBa2Cu3O7-δ，Bi2Sr2Ca2Cu3O10，Ti2Ba2Ca2Cu3O10。2013年，一個(gè)馬普研究所參與的國際研究組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用紅外激光脈沖照射釔鋇銅氧化物材料時(shí)，它會(huì)在室溫條件下短暫地顯示出超導(dǎo)性。