关于我国电子陶瓷技术发展战略的深入思考

 

 

一：前言

电子陶瓷是无源电子元器件的核心材料，是电子信息技术的重要物质基础。近年来，随着电子信息技术的集成化、薄型化、智能化和小型化，基于半导体技术的有源器件和集成电路得到了迅速发展，而无源电子元件正日益成为电子元件技术发展的瓶颈。因此，电子陶瓷材料及其制备与加工技术日益成为制约电子信息技术发展的重要核心。

我国是一个无源电子元器件大国。从产品产量来看，无源元件的产量占全球产量的40%以上。然而，中国不是一个强大的国家。零部件产值不到全球产值的四分之一，高端零部件严重依赖进口。电子陶瓷材料和技术是制约高端元器件发展的重要因素之一。从战略高度研究和判断国内外电子陶瓷材料及元器件技术的发展现状，分析我国相关领域存在的问题和对策，对促进我国高端电子元器件产业的发展具有重要意义。

二：国际电子陶瓷产业技术发展现状与趋势

从全球电子陶瓷产业水平来看，日本和美国都处于世界领先地位。其中，日本以其规模化的生产和先进的制备技术在世界电子陶瓷市场上处于领先地位，占据了世界电子陶瓷市场50%以上的份额[2]。美国在基础研究和新材料开发方面实力雄厚，专注于产品前沿技术及其在军事领域的应用，如水声、光电、光电、红外技术和半导体封装等。此外，韩国在电子陶瓷领域发展迅速，备受瞩目。

（一）多层陶瓷电容器（MLCC）产业

电子陶瓷的主要应用领域是无源电子元件。MLCC是应用最广泛的无源元件之一。主要用于各种电子机械的振荡、耦合和滤波旁路电路。其应用领域涉及自动化仪表、数字家电、汽车电器、通信、计算机等行业。MLCC在国际电子制造业中扮演着越来越重要的角色，特别是随着消费类电子产品、通信、计算机、网络、汽车、工业和国防终端客户需求的不断增长，全球市场规模已达100亿美元，并以每年10%～15%的速度增长。2017年以来，由于供求关系，MLCC产品经历了数次涨价。日本是MLCC的一个大生产国。日本的nurata、京瓷、太洋宇登、tdk epc、韩国的三星电机株式会社（Semco）、台湾的华新科技股份有限公司和国聚股份有限公司都是世界著名的MLCC生产商。小型化、大容量、薄层化、基底金属化和高可靠性是MLCC的主流发展趋势。近年来，内电极基底金属化技术发展最为迅速。降低MLCC成本的最有效途径是采用基体金属内电极，而实现基体金属化的关键技术是研制高性能的抗还原钛酸钡陶瓷。日本在21世纪初就完成了这项技术的开发，并一直处于世界领先地位。目前，其大容量MLCC已全部实现了基底金属化。小型化一直是MLCC发展的主要趋势。随着电子设备向小型化、便携化方向发展，产品更新换代迅速，小型化产品需求旺盛，如图1所示。实现元器件小型化的基本材料技术是陶瓷介质层的薄化技术。目前，日本企业在世界上处于领先地位，其生产的MLCC单层厚度已达1μM，其中处于领先地位的村田和太阳有限公司的研发水平已达0.3μM，中薄层的基础是介质材料的微细化。为了保证MLCC的可靠性，作为MLCC主晶相的钛酸钡需要从200～300nm进一步细化到80～150nm。未来的发展趋势是制备粒径为150nm的钛酸钡作为MLCC介电层的主晶相。

图 1 近年来各种尺寸 MLCC 的市场占比变化

（二）片式电感器产业

片式电感是另一种耗电量大的无源电子元件，是三种无源片式元件中最复杂的一种。它的核心材料是磁性陶瓷（铁氧体）。目前，全球片式电感的总需求量约为10亿只，年增长率超过10%。在片式电感的开发和生产中，日本的产量约占世界总产量的70%。其中，tdk epc、村田和太洋电机一直掌握着这一领域的前沿技术。根据工业信息网（IEK）的统计，在全球电感器市场上，tdk-epc、太阳优电、村田三家公司的产量合计约占全球市场的60%。片式电感的主要发展趋势是小尺寸、高电感、大功率、高频、高稳定性和高精度。该技术的核心是具有低温烧结特性的软磁铁氧体和介电材料。

（三）高性能压电陶瓷产业

压电陶瓷是一种重要的能量交换材料，其机电耦合性能优异，广泛应用于电子信息、机电能量交换、自动控制、MEMS、生物医学仪器等领域。为了满足新的应用需求，压电元件正朝着多层化、芯片化、小型化方向发展。近年来，人们开发了多层压电变压器、多层压电驱动器、片式压电频率器件等新型压电器件，并广泛应用于电气、机电、电子等领域。同时，无铅压电陶瓷的研发在新材料方面也取得了很大突破。无铅压电陶瓷有可能在许多领域取代锆钛酸铅（PZT）基压电陶瓷，促进绿色电子产品的升级换代。此外，压电材料在下一代能源技术中的应用也开始出现。近十年来，随着无线和低功耗电子器件的发展，压电陶瓷微能量采集技术的研究和开发受到了政府、机构和企业的高度重视。

（四）微波介质陶瓷产业

微波介质陶瓷是无线通信设备的基石。它广泛应用于移动通信、导航、全球定位系统、卫星通信、雷达、遥测、蓝牙技术、无线局域网等领域[7]。微波介质陶瓷制成的滤波器、谐振器和振荡器广泛应用于5g网络中，其质量在很大程度上决定了微波通信产品的最终性能、尺寸限制和成本。微波电磁介质材料以其低损耗、高稳定性和高调制性能成为当今世界的核心技术。微波介质陶瓷材料发展之初，在美、日、欧等国家和地区曾有过激烈的竞争，但后来日本逐渐处于明显的主导地位。随着3G移动通信和数据微波通信的快速发展，美国、日本和欧洲对这一高科技领域的发展进行了战略调整。从近期的发展趋势来看，美国以非线性微波介质陶瓷和高介电常数微波介质陶瓷技术为战略重点，欧洲以定频谐振器材料为主，而日本则依托其产业化优势，大力推进微波介质陶瓷的标准化和高质量化。目前，微波介质材料和器件的生产水平居村田、京瓷、tdk epc和trans tech之首。

（五）半导体陶瓷产业

半导体陶瓷是一种能将湿度、气体、力、热、声、光、电等物理量转化为电信号的信息功能陶瓷材料。正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）、压敏电阻、气体传感器、湿度传感器等是物联网技术的主要基础材料，应用广泛。在半导体陶瓷中，热敏陶瓷和压敏陶瓷的产量和产值最高。世界上热敏电阻陶瓷材料和器件技术先进，产量最大的有日本村田、智普电子株式会社、三菱集团、tdk epc、石冢、维赛、EPCOS等公司。其年产量约占世界总产量的50%～60%～80%，产品质量好，但价格也高。近年来，国外陶瓷半导体器件正朝着高性能、高可靠性、高精度、多芯片、大规模的方向发展。目前，国外一些大型企业已经推出了一些基于多层陶瓷技术的芯片半导体陶瓷器件，成为敏感器件领域的高端产品。

三、我国电子陶瓷材料与元器件的发展现状

我国是电子元器件大国，各种电子陶瓷产品产量居世界第一。形成了一批具有国际竞争力的零部件生产基地，拥有世界上最大的应用市场。但目前高端电子陶瓷材料市场主要被日本企业垄断。国产材料中有一小部分用于高端零部件，大部分用于中低端零部件。在转化过程中，国内高水平科研成果遇到了来自原材料、生产设备、稳定性等方面的瓶颈，市场占有率相对较低。

工业技术方面，我国电子陶瓷及元器件生产基地已形成相当规模，并具有国际先进的生产水平。其中，奉化高新技术股份有限公司是国际产业体系中为数不多的集电子元器件、电子材料、电子专用设备为一体的综合性企业；顺洛电子股份有限公司在片式电感器和LTCC产品方面具有明显的国际竞争优势；潮州三环（集团）有限公司、深圳市神州三环（集团）有限公司、深圳市宇扬科技发展有限公司等陶瓷电子元器件行业的龙头企业在世界上也有一定的影响力，并得到了国家一系列研发计划的支持。由清华大学和奉化高新技术股份有限公司牵头，与20家大中型企业、科研院所和高校共同组建的电子技术创新战略联盟，对推动功能陶瓷芯片元件和无源集成陶瓷材料的研究与开发相结合具有重要作用。

（一）MLCC产业

我国传销行业规模庞大，已形成一批以奉化高新技术股份有限公司、深圳市宇扬科技发展有限公司为代表的具有国际竞争力的大型企业，在国际竞争中占有一席之地。然而，作为世界顶级的MLCC制造商，如太阳浴公司、村田公司、京瓷公司、TDK-EPC和三星电气有限公司等中国大型企业都在中国大陆建立了制造基地，将产能转移到中国大陆。该国一半以上的MLCC产量被外资和合资企业占据。同时，国内市场高端MLCC产品主要依靠进口。由于缺乏自主知识产权和先进的工艺装备，高性能陶瓷粉体、电极糊和先进的生产设备很大程度上依赖国外厂家。从市场情况看，MLCC消费主要集中在亚洲，占全球MLCC消费的75%，而中国则占一半以上。随着移动通信产品等整机制造业的不断扩张，我国对MLCC产品的需求仍在快速增长。

（二）片式电感器产业

我国从上世纪90年代初开始研制片式电感器及相关材料，目前已基本建立起一个既有传统产品又有新产品、经济规模可观、在国际市场上有一定地位的电感器产业，产量约占世界总产量的20%。其中，深圳市顺罗电子有限公司凭借其在材料和工艺方面的技术优势，在国际竞争中占有一席之地。然而，目前国内芯片电感生产企业还存在一些问题。产品多为消费类电子产品，用于通信和汽车电子领域的基础元器件主要由日、韩、台企业垄断。同时，低端市场的价格战也使得国内芯片电感厂商的利润率缩水。目前，全球芯片电感市场需求不断增长，市场结构也在发生变化，尤其是在移动/无线通信领域。以手机为代表的移动通信产品制造商大多在中国。目前，移动通信中使用的片式电感大多由国外供货。计算机和汽车电子也是国内高端芯片电感器需求快速增长的领域。未来，我国高端片式电感的市场缺口将相当大。

（三）高性能压电陶瓷产业

在高性能压电陶瓷及元器件方面，国内压电陶瓷企业数量众多，但多为中小企业，产品结构以低端产品为主。几十年来，我国压电陶瓷的研究和开发取得了一批具有自主知识产权的技术成果。但从目前行业整体情况看，其市场竞争力、产业技术水平有待提高，产品结构有待升级。随着信息技术、新能源技术、生物医学和航天技术的飞速发展，一些新型压电陶瓷器件的应用市场将迅速崛起，成为压电陶瓷器件的主要市场。

（四）微波介质陶瓷产业

在微波介质陶瓷材料方面，我国对微波电磁介质的研究起步较早，与发达国家基本同步。早期的研究、开发和生产主要针对国防和军工关键微波器件的需求。近十年来，武汉方谷电子有限公司、佳利电子有限公司、大富科技有限公司、深圳市顺罗电子有限公司、江苏灿勤科技有限公司等一批具有一定规模的企业已经形成，但在技术水平、产品品种、生产等方面还存在较大差距与国际知名企业的规模。以第五代移动通信（5g）、无线互联网、无线传感器网络和卫星通信定位系统为代表的无线信息技术的迅速崛起，对高性能微波器件提出了更高的要求，具有很大的发展空间。

（五）半导体陶瓷产业

目前，国内半导体陶瓷及相关敏感器件制造企业大多成立于上世纪90年代，以外资企业和民营企业为主体。外资企业以独资或合资的形式在国内市场迅速建立生产基地，技术优势显著，产品性能优良，出口量大，在国内高端市场占据领先地位。从技术上看，民营企业生产技术落后，在原材料、生产设备、检测设备、质量控制等方面还存在很大不足，导致国内产品线单一，产品结构低端，无法满足高端市场的需求。从未来需求来看，物联网和传感器网络的快速发展将带来我国半导体陶瓷传感器需求的爆发式增长，未来将有更大的发展空间。

 

四、电子陶瓷材料重大技术需求分析

随着电子信息产品向宽带化、小型化、集成化、无线化/移动化和绿色化的进一步发展，多功能、多层次、芯片与芯片集成的电子陶瓷元件已成为主流。这些新趋势对电子陶瓷材料提出了一系列新的要求，如材料微观结构的细化，材料功能的多样化，高频低损耗的电磁特性，相关材料技术日益成为制约信息技术发展的瓶颈技术。未来几年，电子陶瓷材料发展中需要解决的关键技术问题包括以下几个方面。

（1） 一种新型电子陶瓷材料及其实现电子信息系统小型化/电子元器件小型化的关键技术。如纳米晶材料制备技术、超薄陶瓷成膜技术等；适用于低能无线/移动信息系统关键微波器件的超低损耗介质陶瓷材料等。

（2） 它是适应新一代移动通信技术特征频率的新型电子陶瓷材料。随着5g/6G技术的发展，通信频段逐渐由微波向毫米波发展，对新型电子陶瓷，尤其是陶瓷介电材料的需求将急剧增加，因此开发相关的材料和器件迫在眉睫。

（3） 用于无源元件集成和无源-有源集成及模块化的新型电子陶瓷材料。基于LTCC技术的无源集成技术将有更大的发展空间，而兼容的功能陶瓷材料及其共烧技术是有待解决的技术瓶颈。

（4） 用于电子信息系统多功能化的新型功能电子陶瓷材料。具有电、磁、光、热耦合特性和超常电磁特性的新型多功能陶瓷材料体系，以及在复杂外场或极端环境条件下具有稳定性和优异使用性能的新型信息功能陶瓷材料。

（5） 其他技术领域也对电子陶瓷材料提出了新的要求。在能源材料方面，固体燃料电池、太阳能电池和半导体照明技术的进一步发展，有赖于电子陶瓷材料及其制备技术的突破；随着物联网和传感器网络的兴起，各种不同功能的传感器要求出现越来越高性能的新型敏感陶瓷材料。

五、我国电子陶瓷产业发展面临的主要问题

当前我国在电子陶瓷及其元器件产业发展中面临的主要问题包括以下几点。

（一）社会重视程度严重不足

电子陶瓷材料在电子信息技术中的重要地位仅次于半导体。然而，与半导体技术相比，社会各界的关注严重不足。正如日本村田（中国）株式会社社长丸山英一所指出的：中国在国家政策上对芯片和半导体有支持，但对元器件的支持力度不大，所以中国的元器件企业更多的是自主发展。由于社会投入不足，缺乏吸引高层次人才的机制，研发力量薄弱，研发经费不足，难以适应不断变化的研发需求。

（二）研究成果转化机制有待完善

我国电子陶瓷材料的研究和开发分散在少数高校、科研院所和少数大型企业。在高校和科研院所，它们属于材料与构件的不同领域，侧重点不同，相互脱节，缺乏对材料、工艺与构件集成的系统研究。研发成果向产业化转化不及时、不充分。高校、科研院所和企业在体制上相互分离，沟通与合作不够。缺乏及时有效转化成果、实现产学研结合的有效机制。高校和科研院所的研究成果往往停留在实验室阶段，没有对产品进行小规模试验和量产验证，企业的研发往往由于缺乏实验分析设备而不够深入。

（三）国内产业链对自主创新的支撑不完善

电子陶瓷材料处于产业链的上游，前端是原材料，后端是元器件。由于元器件的工艺设备和技术标准主要来自国外，国内原材料在稳定性和一致性方面与国外产品还有差距，制约了国产电子陶瓷材料在元器件中的大规模应用。特别是一些原材料由于与现有元器件技术不兼容，难以获得应用，使得国内电子陶瓷材料及元器件难以进入行业领先地位。

（四）规模化生产工艺装备水平有待提高

目前，国内高端电子陶瓷材料和元器件仍以进口为主。由于技术升级速度快，先进技术难以进入国内，导致规模化生产水平难以在世界上处于领先地位。以国内陶瓷无源元件行业的龙头企业为例，奉化高新技术股份有限公司、顺罗电子股份有限公司、宇扬科技发展有限公司都是以生产芯片元器件为主的国内骨干企业，但其高端产品技术水平与tdk epc、太阳油电等国际知名企业存在较大差距。

六、电子陶瓷产业发展的战略目标和路径

（一）总体思路

进一步加大电子陶瓷材料及相关元器件研发投入，重点突破电子陶瓷高端材料、先进加工技术和关键装备技术，加快电子陶瓷材料及元器件全产业链的国产化和自主创新，形成相关技术的自主知识产权体系和技术优势，完善电子陶瓷材料产业化机制，建立国际先进的电子陶瓷材料研发体系和生产基地，以及世界一流的元器件制造基地。MLCC在我国超薄基体金属内电极中的应用低温烧结高性能片式电感及其铁氧体材料、高性能压电陶瓷及其新元件的产业化技术，高储能密度介质陶瓷及其工程制备技术、微波介质陶瓷产业化技术、半导体陶瓷及敏感元件产业化技术等已达到国际领先水平。

（二）战略目标

面对信息技术等领域的迫切需求，要进一步加强电子陶瓷技术的研发和产业升级的支撑，突破阻碍产业技术进步的关键技术，使我国在这一领域的技术水平走在世界前列。力争2025年大部分时间接近美国和日本，2035年成为世界高端电子陶瓷材料和元器件的主要来源地（见图2）

图 2 电子陶瓷发展路线图

（三）重点发展方向

1、新一代电子陶瓷元器件及材料

重点突破MLCC、片式电感、陶瓷滤波器等大型无源电子元器件所需的高端电子陶瓷材料技术，开发具有自主知识产权的材料配方和规模化生产技术，形成稳定的生产规模。重点突破高端电子陶瓷元器件材料精密成形加工关键技术和装备，确保薄多层陶瓷技术关键纳米陶瓷材料的独立稳定供应，形成自主研发和生产无源集成关键设备的能力。

（1） 高性能、低成本MLCC材料和组件。加强高性能抗还原陶瓷介电粉末材料及规模化生产；重点研发薄功能陶瓷成型技术及设备、纳米晶陶瓷烧结技术、超薄多层陶瓷结构内电极技术等。

（2） 新型芯片电感器和关键材料。加强高性能低温烧结铁氧体和低介电损耗陶瓷粉体材料的规模化生产；研究开发多层陶瓷精密互连技术和设备，微型化微波段芯片电感布线设计技术。

（3） 高性能多层芯片敏感元件和材料。重点研究了高性能片式热敏、气敏、湿敏、压敏、光敏陶瓷的规模化生产技术，微纳多层片式热敏陶瓷传感器的制备技术和表征技术。

（4） 高性能压电陶瓷材料。重点研究了压电陶瓷材料的净尺寸成形与加工及其产业化技术、压电微电源用高性能多层压电材料的制备及产业化技术、高性能复合材料的先进制备技术多层无铅压电陶瓷材料及工程化和产业化用新元件。

（5） 新一代电磁波介质陶瓷材料。针对5g/6G通信技术的新型电磁波介质材料，重点研究了片式高频低损耗微波介质陶瓷及其规模化生产技术、片式高性能低成本复合电磁波介质的规模化生产技术和设备陶瓷及其基础材料，人造片式电磁波介质的设计、制备及规模化生产技术。

2、无源集成模块及管件材料与技术

无源集成技术的应用和产业化在很大程度上取决于LTCC技术的突破。目前，虽然已经开发出一些具有不同优点的无源集成技术，但主流技术仍然是LTCC。一方面要优化LTCC材料的性能和制备方法，提高其在国际高端应用中的比重；另一方面要结合其他几种无源集成技术，研究开发相应的关键材料，关键技术和重要模块。

（1） LTCC用电磁介质材料系列研究。重点研究具有一系列介电常数和磁导率的陶瓷粉体和生产带，能够满足LTCC的性能和工艺要求，在LTCC材料领域形成了自己的知识产权。

（2） 无源集成模块关键制造技术研究。重点介绍了无源集成模块制备的关键工艺，如厚膜和薄膜制备工艺、微孔形成和灌浆工艺、精密导体浆料印刷工艺、陶瓷共烧工艺等。

（3） 无源集成模块设计与测试方法。研究内容包括无源集成模块设计软件的开发、新型无源集成结构特性的仿真与仿真、高集成度无源集成模块的设计以及无源集成模块的测试技术。

七、政策建议

该领域的电子陶瓷材料和部件在中国已经形成了良好的工业技术基础。然而，作为重要的战略性新材料，电子陶瓷在高端电子陶瓷领域的强势发展仍受到一些关键材料技术、工艺技术和装备技术的制约。要实现我国高端电子陶瓷产业的引领发展，迫切需要加强顶层统筹。

（1） 将无源元件和关键电子陶瓷材料、无源电子元件纳入国家半导体产业战略布局，在国家重大研发计划中设立专项无源元件项目，支持微电子产业发展，将国家支持芯片产业发展的各项优惠政策延伸到电子陶瓷和无源电子元器件产业。

（2） 要加大科研人员和经费投入，普遍增强研发力量，加强各研究单位之间的直接联系与合作，打造以新材料研究为基础的综合性研发机构，具有较强的设备应用研究背景和研究能力，建立能够及时有效转化成果，实现产学研结合的有效机制。

（3） 统筹电子陶瓷材料及元器件产业链上下游企业，加强原材料供应链建设，确保高纯度、高稳定性电子陶瓷原材料供应，大力开展高端工艺装备研发，加强无源元件和整机行业设计自主创新，加强相关标准建设。（来源：中国工陶）