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        電子陶瓷的發(fā)展之路


        來源:中國特種陶瓷網(wǎng)

        [導(dǎo)讀]  上世紀(jì)80年代,隨著我國電子工業(yè)的發(fā)展和民品需要,家用電器中對陶瓷濾波器及陶瓷諧振器的需求量迅猛增多,江西景德鎮(zhèn)999廠和上海無線電一廠同時(shí)引進(jìn)日本村田壓電陶瓷頻率元件生產(chǎn)線,從此拉開了我國壓電陶瓷產(chǎn)品由軍品轉(zhuǎn)為民品的大批生產(chǎn)序幕。

        中國粉體網(wǎng)訊  上世紀(jì)80年代,隨著我國電子工業(yè)的發(fā)展和民品需要,家用電器中對陶瓷濾波器及陶瓷諧振器的需求量迅猛增多,江西景德鎮(zhèn)999廠和上海無線電一廠同時(shí)引進(jìn)日本村田壓電陶瓷頻率元件生產(chǎn)線,從此拉開了我國壓電陶瓷產(chǎn)品由軍品轉(zhuǎn)為民品的大批生產(chǎn)序幕。通過摸索和消化日本引進(jìn)線的先進(jìn)材料和工藝,國內(nèi)很多中小型的壓電陶瓷生產(chǎn)廠家得到了迅速發(fā)展,如浙江嘉康電子(原嘉興電陶廠)、江蘇江佳電子、無錫寶通電子、蘇州捷嘉電子等。嘉康電子當(dāng)時(shí)的主打產(chǎn)品是壓電陶瓷蜂鳴器,每月的產(chǎn)量在上千萬只,通過先進(jìn)工藝線的引進(jìn)、消化、吸收和提高,很快成為國內(nèi)產(chǎn)量最大、品種最全的高頻器件制造商,到2007年壓電陶瓷器件已達(dá)7.15億只。江蘇江佳電子開始生產(chǎn)小量的多片陶瓷濾波器,現(xiàn)在已發(fā)展成為國內(nèi)中頻陶瓷濾波器最大制造商,到2007年年產(chǎn)量就已經(jīng)達(dá)到4.67億只。


          陶瓷材料 取得巨大發(fā)展


          回顧我國壓電陶瓷行業(yè)的發(fā)展,20年前只有山東大學(xué)、清華大學(xué)、華南工學(xué)院、天津大學(xué)、四川大學(xué)、上?拼蟮葞姿髮W(xué)設(shè)有壓電材料及應(yīng)用的專業(yè),上海硅酸鹽研究所、中電科技集團(tuán)第7研究所和第26研究所等建有壓電陶瓷材料和應(yīng)用研究室,生產(chǎn)廠家只有山東淄博無線電陶瓷廠,主要開展的項(xiàng)目大多與軍用產(chǎn)品有關(guān)。涉及民用的產(chǎn)品只有大量生產(chǎn)的壓電陶瓷蜂鳴器和點(diǎn)火器,小量用于郵電通信的多片陶瓷濾波器、機(jī)械濾波器、用于水聲和超聲的壓電陶瓷換能器等。


         


        電子陶瓷  


          為了適應(yīng)各類壓電器件對材料性能的不同要求,材料研究人員廣泛進(jìn)行了改性添加劑的研究,開發(fā)出了大量高性能壓電陶瓷材料。


          鈦酸鉛陶瓷(PT)


          上世紀(jì)90年代末,為了滿足制造10MHz以上高頻陶瓷濾波器和陶瓷諧振器的需要,材料研究人員通過對鈦酸鉛陶瓷材料用少量氧化鑭取代,并適量添加錳、鈮、鈰離子,得到了高頻響應(yīng)好、溫度穩(wěn)定性優(yōu)良的改性鈦酸鉛陶瓷材料,其電性能與日本村田同期同類材料相當(dāng)。同時(shí)還研究出了適合用于高溫超聲換能器的鈦酸鉛壓電陶瓷材料,成功用于高溫使用環(huán)境的石油深井探測和流量計(jì)等。


          鋯鈦酸鉛陶瓷(PZT)


          上世紀(jì)80年代,江西景德鎮(zhèn)999廠和上海無線電一廠同時(shí)引進(jìn)日本村田壓電陶瓷頻率元件生產(chǎn)線,主要原材料靠日本提供,這給國內(nèi)的大批量生產(chǎn)和降低成本造成了較大的困難,為了打破外國封鎖,通過對PZT材料進(jìn)行研發(fā)和改進(jìn),很快實(shí)現(xiàn)了材料配方的國產(chǎn)化,自主開發(fā)的PZT壓電陶瓷材料電性能指標(biāo)完全達(dá)到要求。接著又研究出多種適合不同帶寬的PZT壓電陶瓷材料。


          三元系陶瓷


          近20年來,我國在三元系壓電陶瓷材料的改性研究方面做了大量的繼續(xù)研究工作,試驗(yàn)了多種元素的組合取代和添加,拓展出許多改性三元系、四元系和多元系材料,如:PCM-PZT、PMS-PZT、PNZ-PNS—PZT、PMS-PNZ-PNS—PZT等,這些材料具有不同的性能,能滿足各種需要,使壓電陶瓷的應(yīng)用面得到快速擴(kuò)展。


          無鉛壓電陶瓷


          上述壓電陶瓷均含有大量的鉛,制造過程會導(dǎo)致環(huán)境污染,為了減少污染,國內(nèi)外科研人員開展了無鉛系壓電陶瓷的研究,與含鉛系壓電陶瓷材料相比、無鉛系壓電陶瓷的性能明顯不同于含鉛壓電陶瓷,如無鉛系壓電陶瓷的居里點(diǎn)約高出200℃~300℃,介電常數(shù)僅140~150,機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高達(dá)4000~7000。但是,無鉛壓電陶瓷的機(jī)電耦合系數(shù)等性能遠(yuǎn)不如含鉛陶瓷,加之制造工藝難以控制,故無鉛壓電陶瓷僅在一些特定領(lǐng)域應(yīng)用,其研究工作仍在進(jìn)行中。


        應(yīng)用快速滲透


          經(jīng)過20年的發(fā)展,當(dāng)今,壓電陶瓷產(chǎn)品門類齊全,不僅廣泛用于軍事和工業(yè)領(lǐng)域,還滲透到了人們?nèi)粘I畹拿總(gè)角落。其應(yīng)用領(lǐng)域主要涉及以下5個(gè)方面:


          第一,頻率控制器件。近幾年發(fā)展較快的有陶瓷諧振器 、陶瓷濾波器,還有調(diào)諧音叉濾波器、機(jī)械濾波器、陶瓷鑒頻器、陷波器和延遲線。其中陶瓷諧振器、陶瓷濾波器產(chǎn)量已經(jīng)占我國壓電陶瓷產(chǎn)品的65%以上,相當(dāng)引人注目。特別是陶瓷諧振器具有高穩(wěn)定、無需調(diào)節(jié)、尺寸小和成本低等特點(diǎn)。典型的應(yīng)用有:電視機(jī)、攝錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)、CD-ROM驅(qū)動器、汽車電器、VCD、電話機(jī)、復(fù)印機(jī)、語音合成器、遙控器和玩具等。


          第二,壓電超聲換能器。壓電超聲換能器是發(fā)射和接收超聲波的聲學(xué)器件,在水和空氣介質(zhì)中廣泛應(yīng)用。在水聲通信中起雷達(dá)的作用,被稱為聲吶,是各類艦船必不可少的重要傳感器。在工業(yè)中,超聲換能器已被用于超聲清洗、超聲精密加工、超聲加濕、超聲乳化、超聲種子處理、超聲探傷和超聲診斷等。當(dāng)今,壓電超聲換能器的另一廣泛應(yīng)用領(lǐng)域是遙測、遙控系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)。


          第三,壓電發(fā)聲器。壓電發(fā)聲器的典型產(chǎn)品是壓電蜂鳴器和壓電送、受話器、手表、計(jì)算器、電子鬧鐘、小型警鈴以及電話、手機(jī)的振鈴都離不開蜂鳴器。帶有晶體管振蕩電路和直流電源的蜂鳴器可發(fā)出連續(xù)聲音,帶有開關(guān)電路的蜂鳴器可發(fā)出斷續(xù)聲音,屬于聲換能器的水下微音器和揚(yáng)聲器還可用來驅(qū)趕或引誘魚群。


          第四,計(jì)測和控制用壓電器件。計(jì)測和控制用壓電器件主要有壓力、加速度、角速度傳感器以及超聲測深、超聲測厚、超聲測流速、超聲診斷等。


          第五,壓電點(diǎn)火器和壓電變壓器。1965年開始批量生產(chǎn)壓電點(diǎn)火器,近20年來得到了更快的發(fā)展,我國目前幾乎所有煤氣灶、浴室煤氣鍋爐、煤氣房間加熱器、煤氣熱水器和香煙打火機(jī)都用壓電點(diǎn)火器。壓電變壓器具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、變壓比高、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、無電磁干擾和安全等優(yōu)點(diǎn),故用于靜電除煙器、負(fù)離子發(fā)生器、靜電涂覆設(shè)備、靜電復(fù)印機(jī)、電場治療儀和液晶背光源等。


        聲表面波形成完整體系


          聲表面波器件是電子陶瓷領(lǐng)域一個(gè)熱門產(chǎn)品。聲表面波(SAW)是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波,我國聲表面技術(shù)的開發(fā)從1970年開始,經(jīng)過了37年的研究和發(fā)展,已基本形成了從理論研究、晶體材料生長加工、器件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)以及系統(tǒng)應(yīng)用的完整體系。


          我國聲表面波技術(shù)的發(fā)展大致可以分為3個(gè)階段:第一階段,聲表面波技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域開發(fā)與應(yīng)用。聲表面波技術(shù)開發(fā)的最初動力各國都來源于國防軍事領(lǐng)域,我國也不例外;雷達(dá)、通信、導(dǎo)航和電子對抗等均采用了各種各樣的SAW信號處理器件。第二階段,聲表波技術(shù)應(yīng)用于廣播電視領(lǐng)域。第三階段,聲表面波技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代通信。


          聲表面波在我國經(jīng)歷了30多年的發(fā)展,涌現(xiàn)了30多家大大小小的生產(chǎn)企業(yè),雖然廠家眾多,但技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模有限,除中電科技的第26、55研究所、德清華瑩電子有限公司、無錫好達(dá)電子有限公司等在生產(chǎn)技術(shù)、規(guī)模和產(chǎn)品種類上有一定的優(yōu)勢外,余者規(guī)模小,主要以生產(chǎn)電視中頻濾波器、諧振器以及對講機(jī)濾波器等工藝要求相對較低的產(chǎn)品為主,產(chǎn)品價(jià)格低廉。


          從產(chǎn)品的封裝上看,電視中頻聲表面波濾波器由金屬封裝朝塑殼封裝方向發(fā)展,由于塑殼封裝具有體積小、重量輕的特點(diǎn),特別是在一體化高頻頭中可以體現(xiàn)其優(yōu)勢,國內(nèi)很多生產(chǎn)企業(yè)都開發(fā)了自己的塑封產(chǎn)品,從規(guī)模上看,無錫好達(dá)電子有限公司和中電科技德清華瑩電子有限公司在塑封產(chǎn)品上占據(jù)了較大的市場份額。


          SMD產(chǎn)品目前國內(nèi)能批量化生產(chǎn)的最小尺寸是3mm×3mm,主要生產(chǎn)單位有中電科技的55所、德清華瑩、26所和無錫好達(dá)電子有限公司等,F(xiàn)RF濾波器的主流產(chǎn)品封裝都是采用2.5mm×2.0mm以下的倒裝焊技術(shù),故國內(nèi)目前SAWRF濾波器生產(chǎn)受到了很大的限制,由于成本、技術(shù)等因素,國內(nèi)幾家有實(shí)力的研究所和生產(chǎn)企業(yè)都還無在縮小產(chǎn)品封裝上進(jìn)一步投入的計(jì)劃,南陽金冠集團(tuán)曾投入了部分倒裝焊設(shè)備,但還不具生產(chǎn)能力。


          我國聲表面波產(chǎn)品的基礎(chǔ)研究特別是低損耗設(shè)計(jì)技術(shù),目前主要以中電科技第26研究所、南京大學(xué)以及中科院聲學(xué)所3家科研機(jī)構(gòu)為主力,另外中電科技德清華瑩、55所和無錫好達(dá)等單位也具備一定的產(chǎn)品開發(fā)能力。


        我國的聲表面波行業(yè)和國外相比,總體存在不小的差距。產(chǎn)品研發(fā)沒有太多的科研機(jī)構(gòu)和大專院校作為技術(shù)支撐,缺乏一支基礎(chǔ)研究的隊(duì)伍,由于市場競爭的因素,各單位各自為政,缺乏學(xué)術(shù)交流,很多小企業(yè)不具研發(fā)能力。從生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模上看,和國際上的一些知名公司如EPCOS、Murata、Fujistu、SANYO等相比還存在著很大差距,包括封裝技術(shù)、自動化程度、工藝水平、生產(chǎn)規(guī)模等。


          隨著市場競爭加劇,目前整個(gè)聲表產(chǎn)業(yè)的盈利普遍不高,最大市場手機(jī)RF濾波器已經(jīng)在維持水平上生產(chǎn),失去了投資機(jī)會。要想未來在行業(yè)里有一定生存地位,必須通過自己的技術(shù)進(jìn)步,不斷提高產(chǎn)品成品率、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量,增強(qiáng)規(guī)模化生產(chǎn)能力。我們認(rèn)為,我國聲表面波行業(yè)在未來發(fā)展上,可以做以下幾方面工作:第一,加強(qiáng)行業(yè)內(nèi)相互合作和資源整合。第二,擴(kuò)大國際技術(shù)合作。第三,積極探索新的應(yīng)用領(lǐng)域。聲表面波技術(shù)除了目前的常規(guī)應(yīng)用外,還有在傳感器、射頻設(shè)別(RFID)等方面的一些特殊用途。


        (中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)

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