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      先進陶瓷正逐步推動諸多高技術領域的發展

      先進陶瓷正逐步推動諸多高技術領域的發展

      編輯:轉自:材料科學與工程技術 發布時間:2023-07-07
      先進陶瓷已逐步成為新材料的重要組成部分,成為許多高技術領域發展的重要關鍵材料,備受各工業發達國家的極大關注,其發展在很大程度上也影響著其他工業的發展和進步。由于先進陶瓷特定的精細結構和其高強、高硬、耐磨、耐腐蝕、耐高溫、導電、絕緣、磁性、透光、半導體以及壓電、鐵電、聲光、超導、生物相容等 一系列優良性能,被廣泛應用于國防、化工、冶金、電子、機械、航空、航天、生物 醫學等國民經濟的各個領域。

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      電子陶瓷行業:推動電子信息業迅猛發展
      電子陶瓷是無源電子元件的核心材料,是電子信息技術的重要材料基礎。
      近年來,隨著電子信息技術日益走向集成化、智能化和微型化,以半導體技術為 基礎的有源器件和集成電路迅速發展,無源電子元件日益成為電子元器件技術的發 展瓶頸。而電子陶瓷材料及技術是制約高端元件發展的重要因素之一,越來越成為制約電子信息技術發展的核心技術之一。從戰略高度研判國內外電子陶瓷材料與元器件技術的發展現狀,分析我國相關領域的問題及對策,對于推動我國高端電子元器件產業的發展具有重要意義。
      我國是無源電子元件大國但不是強國。從產品產量上看,我國無源元件的產量占到了全球的 40%以上,多種電子陶瓷產品的產量居世界首位,已經形成了一批在國際上擁有一定競爭力的元器件產品生產基地,同時擁有全球最大的應用市場。然而, 我國但元件產值不足全球產值的四分之一,高端元件大量依賴進口。目前高端電子陶瓷材料市場主要為日本企業所壟斷,國內生產的材料少部分用于高端元器件產品, 大部分用于中低端元器件產品;國內高水平科研成果在轉化過程中遭遇來自原材料、 生產裝備、穩定性等方面的瓶頸,所占市場份額相對較低。在產業技術方面,我國的電子陶瓷及其元器件產品生產基地已經形成了相當的規模,并擁有國際先進的生產水平。
      MLCC 行業
      電子元器件是構建電子系統最基礎的部件,不管多么復雜的電子系統,實際上都是由一個個電子元器件組合而成。電子元器件按是否影響電信號特征進行分類, 可分為被動元件與主動元件。其中被動元件無法對電信號進行放大、振蕩、運算等 處理和執行,僅具備響應功能且無需外加激勵單元,是電子產品中不可或缺的基本 零部件。電阻、電容、電感是三種最主要的被動元件,其中電容應用范圍較為廣泛。電容器是充、放電荷的被動元件,其電容量的大小,取決于電容器的極板面積、極板 間距及電介質常數。根據電介質的不同,電容器可以分為陶瓷電容器、鋁電解電容器、鉭電解電容器和薄膜電容器等。其中陶瓷電容器因為具備包括體積小、電壓范圍大等特點,目前在電容器市場中占據超過一半的市場份額。
      陶瓷電容器可以分為單層陶瓷電容器、片式多層陶瓷電容器和引線式多層陶瓷電容器。其中,MLCC 是由印好電極(內電極)的陶瓷介質膜片以錯位的方式疊合起來,經過一次性高溫燒結形成陶瓷芯片,再在芯片的兩端封上金屬層(外電極)而 成。MLCC 全稱片式多層瓷介質電容器,以電子陶瓷材料作為介質,將預制好的陶瓷 漿料通過流延方式制成要求厚度的陶瓷介質薄膜,然后在介質薄膜上印刷內電極, 并將印有內電極的陶瓷介質膜片交替疊合熱壓,形成多個電容器并聯,并在高溫下一次燒結成一個不可分割的整體電子元器件,最后在電子元器件的端部涂敷外電極 漿料,使之與內電極形成良好的電氣連接,形成 MLCC 的兩極。

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      從需求端看,根據中國電子元件行業協會數據顯示,2020 年全球 MLCC 行業市場規模達到1017億元,而中國MLCC行業市場規模約為460億元,約占全球的45.23%。MLCC 行業的發展主要受智能化消費電子產品的普及與更新、新能源汽車和無人駕駛 技術等帶來的汽車電子化水平的提高、5G 通信的推廣和工業自動化不斷深入等終端 需求驅動。目前,消費電子產品在 MLCC 的下游應用領域中依然占據主導地位,但汽車的新能源化趨勢將大大促進中高壓、高容等高端 MLCC 產品的需求增長,因此新能源汽車的大力發展有望成為行業新的增長點。
      消費電子方面,高端手機 MLCC 的用量較 4G 時代約 700 個上升為 1000 個以上。5G 手機功耗更大,終端產品對更小尺寸、更大容量、更低功耗的高端 MLCC 需求持續 增多,隨著 5G 手機的滲透率不斷提升,預計 2025 年智能手機對 MLCC 的需求量將達 到 14000 億顆。

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      5G 基站方面,單個 4G 基站 MLCC 需求量約 3750 個,5G 基站需求則大幅提升 4 倍至 15000 個電感需求方面。由于 5G 基站天線通道數增加,以及天線有源化對天線 設計提出了更高的要求,被動元件需求量大幅增加。數據顯示,2019 年,中國 5G 基 站 MLCC 總需求量為 20 億個,2020 年,中國 5G 基站 MLCC 總需求量為 88 億個,較上 年同比增長 340%,觀研報告網預計 2022 年中國 5G 基站 MLCC 總需求量將達 120 億 個。
      汽車方面,汽車電子發展對 MLCC 市場規模推動主要來自汽車電子化率和新能源 汽車滲透率的提高。汽車電子化率方面,從使用量上來看,汽車領域對于 MLCC 的需 求量顯著高于消費電子,其中動力系統帶來的 MLCC 增量較為顯著。每輛汽車使用的電子元件,中端車平均為 6300 個,高端車為 8200 個,純電動汽車增加到 14000 個, 其中有一半是MLCC,這意味著隨著新能源汽車的不斷普及,MLCC需求量會不斷增長。從發展方向上看,汽車電子正成為各大主流 MLCC 廠商的主要布局方向,電動車(EV) 的需求亦有望迎來較快增長。
      上游材料方面,MLCC 使用的陶瓷粉體是在鈦酸鋇基礎粉上添加改性添加劑形成 的配方粉。鈦酸鋇可以作為電介質材料的主要原因在于其常溫條件下介電常數較高, 在 MLCC 的成本結構中占比在 20%-45%之間,粉體的自制直接影響 MLCC 的盈利。因 而 MLCC 下游的高景氣度也會催生大量陶瓷粉體的需求。

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      供給端,目前能夠實現高純度、精細度和均勻度的鈦酸鋇粉體制備的廠商以日 美廠商為主。日本 Sakai 化學、日本化學、日本 FujiTi、美國 Ferro 等占據 85%左 右份額,可以制備 100nm 粒徑以下的鈦酸鋇粉體。
      日本堺化學及日本化學合計占據了 42%的市場份額,美國 Ferro 占據了 20%的市 場份額。富士鈦(2005 年被石原產業收購)、日本東邦鈦業廠商等也占據主要市場地 位。高純、超細陶瓷粉體的制造工藝是制約國產 MLCC 發展的瓶頸,目前國內的陶瓷 粉料廠商如國瓷材料(28.2500.030.11%)、風華高科(15.790-0.02-0.13%)(維權)、三環集團(29.800-0.20-0.67%)已掌握相關納米分散技術,能夠滿足中 低端 MLCC 的生產需求。但目前一部分特殊功能、超細高純度粉料依舊依賴進口,以 滿足高端 MLCC 的生產需要。

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      3.1.2 片式電感器行業
      電感是三大被動元器件之一,由于電感較難被集成到集成電路上,集成上去后 品質因素不好,因此作為被動元器件器件之一將長期存在。近年來,下游電子產品 出貨量增長不斷帶動電感器需求增長。目前我國電感器件市場中傳統插裝電感器件 仍舊占據約 30%的市場份額,片式電感器件占據約 70%的市場份額,其中,繞線片式 電感期間的市場份額約為 7%,疊層片式電感器件的市場份額約為 85%。相較日本、 歐美等發達國家的片式化率達到85%以上的水平,我國約70%的片式化率水平仍較低, 有較大拓展空間,未來片式原件對傳統元件的替代進程將進一步加快。
      片式電感的上游原材料包括銀漿、鐵氧體粉、介電陶瓷粉、磁芯、導線等。下游 行業主要是通訊、電腦、消費類電子、小家電、衛星通訊以及汽車電子等領域的終端 電子產品制造業。
      需求端,終端產品小型化和多功能化的發展趨勢,為新型片式電感的應用提供 了日趨廣闊的前景。電感在電子設備(消費電子、汽車、工控、軍工和醫療等)中必不 可少,有過濾噪聲、處理信號、穩定電流和抑制電磁波干擾的功能。隨著中國通訊技術的快速更迭以及物聯網、智慧城市等相關產業大規模建設,中國電感器市場規模 快遞發展。2020 年,我國移動通訊、消費電子等行業快速增長,有利推動電感器件 行業發展。由于尚未有官方機構公布中國電感器件行業市場規模,前瞻依據各機構 公布的現有數據對中國電感器件行業市場規模進行測算。測算可得,2020 年,我國 電感器件行業業務規模約達 117 億元。

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      供應端,村田及 TDK 是當前全球最大的兩家電感供應商,以其為首的日本廠商 總計約占據了電感全球市場的 50%。其中,村田在射頻電感方面處于主導地位,而 TDK 及松下則在汽車領域的功率電感具備優勢。從國內市場上看,國內電感器件行業 主要參與者包括日系廠商及中國本土廠商,中國廠商中,奇力新占據主要市場,優勢領域為電腦、網絡及手機方面的功率電感;順絡電子(25.600-0.20-0.78%)是目前中國營收規模最大的電感企業??傮w來看,國內電感器件行業的競爭者主要分為三個梯隊,第一梯隊以日 系廠商為主,同時包括少部分中國廠商(奇力新、順絡電子);第二梯隊主要為國內中 大型廠商,主要包括麥捷科技(8.560-0.02-0.23%)、風華高科、合泰盟方、鉑科新材(91.8701.631.81%)等企業;第三梯隊為 國內中小型企業,企業規模較小,競爭力較弱。
      壓電陶瓷行業
      壓電陶瓷是一種重要的換能材料,其機電耦合性能優良,在電子信息、機電換 能、自動控制、微機電系統、生物醫學儀器中廣泛應用。為適應新的應用需求,壓電 器件正向多層化、片式化和微型化方向發展。近年來,多層壓電變壓器、多層壓電驅 動器、片式化壓電頻率器件等一些新型壓電器件不斷被研制,并廣泛應用于電氣、 機電、電子等領域。同時,在新型材料方面,無鉛壓電陶瓷的研制已取得了較大的突 破,有可能使得無鉛壓電陶瓷在許多領域替代鋯鈦酸鉛(PZT)基的壓電陶瓷,推動 綠色電子產品的升級換代。此外,壓電材料在下一代能源技術中的應用開始嶄露頭 角。過去十年中,隨著無線與低功耗電子器件的發展,利用壓電陶瓷的微型能量收 集技術的研究與開發受到各國政府、機構和企業的高度重視。
      需求端,根據辰宇信息咨詢披露,2020 年全球壓電陶瓷技術市場規模達到了 576 億元,預計 2026 年將達到 745 億元,年復合增長率(CAGR)為 3.7%。。供給端,經過不斷發展,我國壓電材料企業數量眾多,能夠生產的產品種類較 為齊全,涌現出一批優秀企業,例如天通股份(11.590-0.02-0.17%)、中科三環(13.450-0.10-0.74%)、無錫好達電子等。但我國 壓電材料行業集中度低,排名前三的企業合計市場份額占比僅為 10%左右,大部分企 業規模偏小,資金實力較弱,在研發、技術、人才等方面較為薄弱,以低端產品生產 為主。在此背景下,我國壓電材料行業結構發展不合理,高端產能不足,低端產能過剩。

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      陶瓷基板行業
      隨著近年來科技不斷升級,芯片輸入功率越來越高,對高功率產品來講,其封 裝基板要求具有高電絕緣性、高導熱性、與芯片匹配的熱膨脹系數等特性。伴隨著功率器件 (包括 LED、LD、IGBT、CPV 等) 不斷發展,散熱成為影響器件性能與可 靠性的關鍵技術。對于電子器件而言,通常溫度每升高 10°C,器件有效壽命就降 低 30% ~ 50%。因此,選用合適的封裝材料與工藝、提高器件散熱能力就成為發展 功率器件的技術瓶頸。
      以大功率 LED 封裝為例,由于輸入功率的 70%-80%轉變成為熱量(只有約 20%-30% 轉化為光能),且 LED 芯片面積小,器件功率密度很大(大于 100W/cm2),因此散熱成 為大功率 LED 封裝必須解決的關鍵問題。如果不能及時將芯片發熱導出并消散,大 量熱量將聚集在 LED 內部,芯片結溫將逐步升高,一方面使 LED 性能降低 (如發 光效率降低、波長紅移等),另一方面將在 LED 器件內部產生熱應力,引發一系列可 靠性問題 (如使用壽命、色溫變化等)。
      陶瓷基板主要有平面陶瓷基板及多層陶瓷基板。制造高純度的陶瓷基板是很困 難的,大部分陶瓷熔點和硬度都很高,這一點限制了陶瓷機械加工的可能性,因此陶瓷基板中常常摻雜熔點較低的玻璃用于助熔或者粘接,使最終產品易于機械加工。Al2O3、BeO、AlN 基板制備過程很相似,將基體材料研磨成粉直徑在幾微米左右,與不同的玻璃助熔劑和粘接劑(包括粉體的 MgO、CaO)混合,此外還向混合物中加入 一些有機粘接劑和不同的增塑劑再球磨防止團聚使成分均勻,成型生瓷片,最后高溫燒結。

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      陶瓷基板按照工藝主要分為 DPC、DBC、AMB、LTCC、HTCC 等基板。目前,國內 常用陶瓷基板材料主要為 Al2O3、AlN 和 Si3N4。Al2O3陶瓷基板主要采用 DBC 工藝,AlN 陶瓷基板主要采用 DBC 和 AMB 工藝,Si3N4陶瓷基板更多采用 AMB 工藝。近年來,隨 著半導體照明和新型傳感器市場規模的不斷擴大,陶瓷基板需求隨之增加。特別是 采用激光打孔與電鍍填孔技術制備的 DPC 陶瓷基板,具有圖形精度高、可垂直封裝 等優點,大大提高了電子器件封裝集成度,有望在今后的功率器件封裝中發揮更大 的作用。

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