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2015年全球微波介质陶瓷行业发展现状分析及技术研究展望(图)

    一、世界微波介质陶瓷行业发展概况

    1939年Richtmyer从理论上证明了电介质在微波电路中作为介质谐振器的可能性,但由于当时的陶瓷电介质尚不能满足微波电路的要求从而限制了这一发展。70年代美国的Bryan等最先研制出实用化的 =38的BaTi4O9的新型微波陶瓷材料,其具有高介电常数,高Q值,谐振频率温度系数较小的特点,是最早应用的温度补偿低损耗介质谐振器材料,接着美国Bell实验室又研究发现了综合性能更优的Ba2Ti9O20材料,实现了介质谐振器的实用化,于是以TiO2为起点,揭开了微波介质陶瓷发展史的帷幕。1971年日本NHK公司用正、负温度系数材料组合成了温度系数稳定的介质谐振器。1975年美国Bell实验室又进一步改进了BaO-Ti O2体系。1977年日本的MURATA公司研制出(Zr,Sn)Ti O4系统的微波介质陶瓷,它具有高Q•f值和小频率温度系数,使微波介质陶瓷最终走向实用阶段。进入80年代,日本又报道了R-04C、R-09C等不同类型材料的微波性能。此后,其他国家也相继进行了这方面的研究。目前微波介质陶瓷与器件的研发生产水平欧美发达国家最高,日本在该领域的研究也已后来居上,村田、松下、NGK等公司都有其各具特色的微波介质材料体系。而包括我国、韩国、印度等亚洲国家目前也在积极进行广泛的研究,并取得了显著成果。

    二、世界电子陶瓷技术发展状况

   由于功能陶瓷材料近年来强大的市场需求和战略地位,世界各国对功能陶瓷的研究与开发都给予了足够的重视。美国、日本和西欧一些国家都将功能陶瓷作为关键技术,投入大量经费进行研究和开发。从总体上看,美、日在功能陶瓷的研究方面居领先地位。功能陶瓷电子元件发展的重要趋势是小型化、微型化、片式化、模块化和集成化。这些趋势向陶瓷材料科学和技术提出了一系列挑战。因此,围绕上述应用目标开展的功能陶瓷材料的研究及产业化目前十分活跃。早在20世纪80年代,人们就开始探索无源元件的集成化问题。但直到世纪之交,由于低温共烧陶瓷等技术的突破才使无源集成技术进入了实用化和产业化阶段,并成为备受关注的技术制高点。
我国的功能陶瓷材料及片式元器件产业化的总体水平落后于美日两国,与一些欧洲国家相近。但在某些具体材料研究方面(如无源电子元件用低烧功能陶瓷材料、高性能细晶铁电陶瓷材料等),我国科学家的研究成果已处于国际领先水平。在实际应用、生产水平、工业化程度以及市场份额上与欧、美、日等发达国家仍然有相当大的差距。

    最近几年在科技人员和各企业的努力下,特别是在国家的重点扶持下,再加上外来资金的引入,中国功能陶瓷的基础研究得到加强,企业结构得到调整,企业规模不断扩大,从而使得中国的电子陶瓷市场不断发展壮大。目前,我国已经在功能陶瓷材料领域聚集了雄厚的队伍和积累,处于厚积薄发的阶段,产业发展势头很猛。在电子陶瓷及其片式电容、电感器、电阻器件、陶瓷基板、光导纤维及其陶瓷光线连接器、高温超导陶瓷纤维等应用技术和产业化方面进展都非常顺利。现在,我国已经能够生产大多数的电子陶瓷,像IC基板、瓷介电容、电阻、电感、磁性材料、蜂鸣器、滤波器等压电陶瓷无线电频率元件已能大量生产,并且还占有一定的国际市场。但大部分产品的利润并不很高,产品的技术含量和附加值都相对较低,而且目前世界上最先进的超高利润的电子陶瓷产品我们没有能够占领市场,许多电子整机中的电子陶瓷元件仍需大量进口,如手机中使用的片式压电陶瓷滤波器等,国内市场很大,但全靠进口。因此,提升产品的技术含量和附加值,加大产品的利润率是电子陶瓷发展的关键和目标。只有在这些方面做得好的企业,才有可能在将来的电子陶瓷市场中独领风骚。功能陶瓷在小型化和便携式电子产品中占有十分重要的地位,随着世界范围经济结构的调整和转移,我国的功能陶瓷材料和元件的市场正在迅速增长。发达国家电子整机生产逐渐向中国转移,为我国功能陶瓷材料和相关电子元件产业的发展提供了前所未有的发展机遇。世界各国元器件生产企业都在电子陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新设备方面投入巨资进行研究开发。高投入的研发使得电子陶瓷及元器件成为一个创新活跃、竞争激烈的领域,每年都有大量新型功能陶瓷材料及元器件问世把握机遇,发展优势,提高我国信息功能陶瓷的产业技术水平和自主创新能力,对发展我国电子信息产业等许多高科技产业具有重要的战略意义。

   三、微波介质陶瓷的研究现状

   产业信息网发布的《2015-2022年中国微波介质陶瓷行业研究与投资前景分析报告》显示,近几年WLAN 产品、蓝牙产品、移动通信基站、卫星电视接收设备等下游市场领域需求快速增长,带动微波介质陶瓷元器件的市场需求持续增长。

2011-2014年全球微波介质陶瓷器件市场需求状况

资料来源:智研数据中心整理

    微波介质陶瓷,是一种应用于微波频段(主要是300 MHz-30 GHz频段)电路中作为现代通信中的一种关键材料,因微波信号的频率极高、波长极短、信息容量大,有强方向性、穿透性和吸收能力的特点,国际上已将其列为现代通讯广泛使用的谐振器、滤波器、介质导波回路等其它微波元器件的核心部件材料。随着移动通信技术的迅速发展,移动电话已向第三代过渡,即向更小型化和更高频化的方向发展,这就对微波介质陶瓷提出了更高的要求,即寻求高相对介电常数,以便于器件小型化;高品质因数Q值以保证优良的选频特性和接近于零的谐振频率温度系数丁”以保证高热稳定性。

    微波介质陶瓷是近20多年来发展起来的一种新型功能陶瓷材料,是制造微波介质滤波器和谐振器的关键材料,近年来对它的研究十分活跃。微波介质陶瓷具有高介电常数、低微波损耗、频率温度系数小等优良性能,适合制作各种微波器件和移动电话等设备中的稳频振荡器滤波器和鉴频器,能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。随着移动通信事业的发展,微波介质陶瓷的研究日益受到人们的重视。

   目前,微波介质陶瓷的研究体系主要集中在BaO-TiO2系、BaO-Ln2O3系,复合钙钛矿系和铅机钙钛矿系

   微波介质陶瓷具有高介高损耗、低介低损耗的规律,按照微波介质陶瓷材料介电常数的大小,可将其分为三大类:一类为低 。的微波陶瓷,通常 在0~40之间,Q值较高:另一类为高 的微波陶瓷, 通常大于80,而Q值较小; 介于40~80之间的为中等£,的微波陶瓷。

    (1)低介高Q微波介质陶瓷

   低介电常数微波介质陶瓷主要是指介电常数在0—40的一类介电陶瓷。具有不同介电常数的陶瓷在应用中会有所差别。这类材料主要是具有复合钙钛矿结构的A(B’1/3B”2/3)O3类材料,它们在很高的微波频率下具有极低的介电损耗,其中B’可以是Zn2+、M92+、Ca2+、Ni2+、Co2+、Mn2+,B’’为Ta5+或Nb5+典型材料是Ba(Zn1/3Nb2/3)O3(BZN)、Ba(Mg1/3Ta2/3)O3(BMT)及Ba(Zn1/3Ta2/3)O3(BZT)及它们之间的复合系统微波介质陶瓷材料。Ba(Mg1/3T Ta2/3) O3等介电常数在20—40的介电陶瓷在高频下具有低的介电损耗,主要在移动通信基站、卫星通信等领域用作谐振器、振荡器和滤波器等。Al2O3等介电常数小于10的介电陶瓷一般用作基板材料、电子产品封装材料等,这些应用领域除了要求陶瓷具有较低的介电损耗、低的谐振频率温度系数外,还要求陶瓷具有较小的介电常数,这样当它被用于基板材料、电子产品封装材料等方面时就能满足一定的绝缘性能,用作智能交通系统(ITS)中汽车防撞系统探测波发生器时可以缩短信号的延迟时间。

   (2)中等介电常数的微波介质陶瓷

   中介电常数和Q.F值的微波介质材料主要是以BaO.Ti02体系、(Zr,Sn)Ti04、BiNbO4等为代表,其 =40-80,Q.F=5000---15000GHz,主要用于4~8GHz频率范围内的微波军用雷达及通信系统中作为介质谐振器件。BaO.Ti02体系一直是微波介质陶瓷研究的焦点之一,其中BaTi4O9和Ba2Ti9O20具有很好的微波介电性能,是实用化微波介质陶瓷中重要的一类,单相Ba2Ti9O20 ( =39.8, Q•f=5000,f=8GHz,Tf=2ppm/oC),BaTi4O9( =38.0,Q•f=9000,f=4GHz,xf=15ppm/oC);从70年代起,以(Zr1-xSnx)Ti O4固溶体为基础的陶瓷就已经被用作谐振器的材料,其中尤以x=0.2,即(Zr0.8Sn0.2)Ti O4材料的微波性能最好( =40.0,Q•f=5000(f=10GHz), =3ppm/oC;BiNbO4有低温型a-BiNb O4和高温型b-BiNb O4两种晶体结构,a-BiNbO4属于斜方晶系,而b-BiNb O4属于三斜晶系,当超过10200C时, a-BiNbO4转化为声.b- BiNbO4且相变不可逆。纯BiNbO4很难获得致密陶瓷,通常掺杂烧结助剂改善其微波介电特性。

   (3)高介微波介质陶瓷

    一般介电常数 大于80,属于低频端微波介质陶瓷(0.8—4GHz),它们主要在0.8—4GHz频率范围内的民用移动通信系统中作为介质谐振器件, 越大, 越小,从而谐振器尺寸越小,并且 越大,电介质在电场作用下的极化能力愈强,电磁能量也容易集中在电介质内,使受到周围环境的影响小。因此高的介电常数能促进微波通讯设备、谐振器的小型化和集成化,在高电容量的集成电路中以及低频下工作的通讯设备中应用广泛。主要的体系包括:(R为镧系稀土元素)BaO—R2O3-TiO2系、CaO—R2O3-TiO2系、CaO-Li2O-R2O3-TiO2系、铅基钙钛矿材料一些其他的体系,例如CaTiO3改性系列,例如MTiO3-LnAlO3(M=Sr,Ca;Ln=La,Nd,Sm)和MLn4Ti4O15(M=Sr,Ca;Ln=La,Nd,Sm)。

 

本文采编:CY205

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标签: 微波介质陶瓷
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