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探叙几种典型电子元件新材料的应用与发展动态
  • 电子元件发展中的新材料随着电子行业的快速发展,电子设备的轻薄小型对电子元件小型化、设计差异化及绿色节能等要求越来越强烈,新型高端元件发展以关键材料为突破口并成为世界各国发展新一代实用化、节能化及环保化电子元件技术制高点。

    电子元件发展中的新材料随着电子行业的快速发展,电子设备的轻薄小型对电子元件小型化、设计差异化及绿色节能等要求越来越强烈,新型高端元件发展以关键材料为突破口并成为世界各国发展新一代实用化、节能化及环保化电子元件技术制高点。因而是电子元件领域中非常重要的研究方向;降低电力电子器件的能耗、提高温度极限已经成为重要课题。本文主要介绍铁氧体、电子陶瓷、压电晶体、新型绿色电池等四种新材料的应用与发展动态。
      
      一、铁氧体材料
      
      铁氧体所属现代词,指的是一种非金属磁性材料,又叫铁淦氧。其生产过程和外观类似陶瓷,因而也称为磁性瓷。中文名铁氧体材料;别称铁淦氧。类别:非金属磁性材料;主要成分:氧化铁、氧化铜、氧化锌等。铁氧体材料,它是作为主成分含有规定量的氧化铁、氧化铜、氧化锌以及氧化镍的NiCuZn系的铁氧体材料,作为辅助成分,含有规定量的氧化铋、氧化硅、氧化镁、氧化钴,以此构成铁氧体材料,因此能够提供温度特性极其良好、品质因数Q高、高强度的NiCuZn系铁氧体材料。铁氧体是一种具有铁磁性的金属氧化物。就电特性来说,铁氧体的电阻率比金属、合金磁性材料大得多,而且还有较高的介电性能。铁氧体的磁性能还表现在高频时具有较高的磁导率。因而,铁氧体已成为高频弱电领域用途广泛的非金属磁性材料。由于铁氧体单位体积中储存的磁能较低,饱合磁化强度也较低(通常只有纯铁的1/3~1/5),因而限制了它在要求较高磁能密度的低频强电和大功率领域的应用。
      
      铁氧体是由铁的氧化物及其他配料烧结而成。一般可分为永磁铁氧体、软磁铁氧体和旋磁铁氧体三种:永磁铁氧体又叫铁氧体磁钢,就是我们平时见到的黑色小磁铁。其组成原材料主要有氧化铁、碳酸钡或碳酸锶。充磁后,残留磁场的强度很高,并可以长时间保持残留磁场。通常用作永久磁铁材料。例如:扬声器磁铁;软磁铁氧体是由三氧化二铁和一种或几种其他金属氧化物配制烧结而成。之所以称之为软磁,是为当充磁磁场消失后,残留磁场很小或几乎没有。通常用作扼流圈,或中频变压器的磁芯。这和永磁铁氧体是完全不同的;旋磁铁氧体是指具有旋磁特性的铁氧体材料。磁性材料的旋磁性是指在两个互相垂直的直流磁场和电磁波磁场的作用下,平面偏振的电磁波在材料内部按一定方向的传播过程中,其偏振面会不断绕传播方向旋转的现象。旋磁铁氧体已广泛应用于微波通信领域。
      
      高频开关电源具有低损耗、高频化和小型化、重量轻等特点,在国际上日益受到重视。而决定电磁器件性能、体积、效率等特性的磁芯材料被广泛关注。随着开关电源高频化及电子装备数字化技术的发展,软磁铁氧体已拓展了更大的市场空间。铁氧体材料制作的磁性元件是高频电力电子技术的重要组成部分,对电力电子设备的体积和效率起着决定性的作用。
      
      二、电子陶瓷
      
      电子陶瓷或称电子工业用陶瓷,它在化学成分、微观结构和机电性能上,均与一般的电力用陶瓷有着本质的区别。这些区别是电子工业对电子陶瓷所提出的一系列特殊技术要求而形成的,其中最重要的是须具有高的机械强度,耐高温高湿,抗辐射,介质常数在很宽的范围内变化,介质损耗角正切值小,电容量温度系数可以调整(或电容量变化率可调整).抗电强度和绝缘电阻值高,以及老化性能优异等。电子陶瓷按功能和用途可以分为五类:绝缘装置瓷、电容器瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷和离子陶瓷。
      
      1.绝缘装置瓷简称装置瓷,具有优良的电绝缘性能,用作电子设备和器件中的结构件、基片和外壳等的电子陶瓷。绝缘装置瓷件包括各种绝缘子、线圈骨架、电子管座、波段开关、电容器支柱支架、集成电路基片和封装外壳等。对这类瓷的基本要求是介电常数ε低,介质损耗tanδ小,绝缘电阻率ρ高,击穿强度E大,介电温度特性和频率特性好。此外,还要求有较高的机械强度和化学稳定性。在这类陶瓷中以滑石瓷和氧化铝瓷应用最广。它们的主晶相成分分别为MgSiO3及Al2O3。滑石瓷的电绝缘性优良且成本较低,是用于射电频段内的典型高频装置瓷。氧化铝瓷是一类电绝缘性更佳的高频、高温、高强度装置瓷。其电性能和物理性能随Al2O3含量的增多而提高。常用的有含75%、95%、99%Al2O3的高铝氧瓷。在一些要求极高的集成电路中,甚至还使用Al2O3含量达99.9%的纯刚玉瓷,其性质与蓝宝石单晶相近。高铝氧瓷,尤其是纯刚玉瓷的缺点是制造困难,烧成温度高、价格贵。
      
      2.电容器瓷用作电容器介质的电子陶瓷。这类陶瓷用量最大、规格品种也最多。主要的有高频、低频电容器瓷和半导体电容器瓷。高频电容器瓷属于Ⅰ类电容器瓷,主要用于制造高频电路中的高稳定性陶瓷电容器和温度补偿电容器。构成这类陶瓷的主要成分大多是碱土金属或稀土金属的钛酸盐和以钛酸盐为基的固溶体;低频电容器瓷属于Ⅱ类电容器瓷,主要用于制造低频电路中的旁路、隔直流和滤波用的陶瓷电容器。这类陶瓷中应用最多的是以铁电钛酸钡为主成分,通过掺杂改性得到的高ε和ε的温度变化率低的瓷料,以平缓相变型铁电体铌镁酸铅等为主成分的低温烧结型低频独石电容器瓷料,也是重要的低频电容器瓷。
      
      半导体电容器瓷利用半导体化的陶瓷外表面或晶粒间的内表面(晶界)上形成的绝缘层为电容器介质的电子陶瓷。其中利用陶瓷晶界层的介电性质而制成的边界层电容器是一类新型的高性能、高可靠的电容器,它的介电损耗小、绝缘电阻及工作电压高。半导体电容器瓷主要有BaTiO3及SrTiO3两大类。在以BaTiO3、SrTiO3或二者的固溶体为主晶相的陶瓷中,加入少量主掺杂物和其他添加物,在特殊的气氛下烧成后,即可得到N型半导体陶瓷。然后,再在表面上涂覆一层氧化物浆料(如CuO等),通过热处理使氧化物向陶瓷的晶界扩散,最终在半导体的所有晶粒之间形成一绝缘层。这种陶瓷的视在介电常数极高、介质损耗小、体电阻率高、介质色散频率高、抗潮性好,是一种高性能、高稳定的电容器介质。
      
      3.铁电陶瓷以铁电性晶体为主晶相的电子陶瓷。已发现的铁电晶体不下千种,但作为铁电陶瓷主晶相的主要有钙钛矿或准钙钛矿型的铁电晶体或固溶体。在一定的温度范围内晶体中存在着可随外加电场而转变方向的自发极化,这就是晶体的铁电性。当温度超过某一临界值─居里温度TC时,其极化强度下降为零,晶体即失去铁电性,而成为一般的顺电晶体;与此同时,晶体发生铁电相到顺电相的相变。铁电体的极化强度还随电场而剧烈变化。
      
      铁电陶瓷功能多、用途广。利用其压电特性可以制成压电器件,这是铁电陶瓷的主要应用,因而常把铁电陶瓷称为压电陶瓷。利用铁电陶瓷的热释电特性可制成红外探测器件,在测温、控温、遥测、遥感以至生物、医学等领域均有重要应用价值。典型的热释电陶瓷有钛酸铅等。利用透明铁电陶瓷PLZT的强电光效应,可制成激光调制器、光电显示器、光信息存储器、光开关、光电传感器、图像存储和显示器,以及激光或核辐射防护镜等新型器件。
      
      4.半导体陶瓷通过半导体化措施使之具有半导电性晶粒和绝缘性晶界,从而呈现很强的界面势垒等半导体特性的电子陶瓷。陶瓷半导体化的方法主要有强制还原法和施主掺杂法两种。两种方法都是在陶瓷的晶体中形成离子空位等缺陷,从而提供大量导电电子,使陶瓷中的晶粒成为某种类型的半导体。而这些晶粒之间的间层为绝缘层或另一类型(P型)的半导体层。半导体陶瓷种类包括利用半导体瓷中晶粒本身性质制成的各种负温度系数热敏电阻;利用晶界性质制成的半导体电容器、ZnO压敏电阻器、BaTiO3系正温度系数热敏电阻器、CdS/Cu2S太阳能电池;以及利用表面性质制成的各种陶瓷型湿敏电阻器和气敏电阻器等。
      
      5.离子导电陶瓷是集金属电学性质和陶瓷结构特性于一身的高性能功能材料,具有优良的抗氧化、抗腐蚀、耐高温、高机械强度等特点。导电阳瓷可用于固体燃料电池电极、气敏元件、高温加热体、电导体、固定电阻器、氧化还原材料、铁电材料和高临界温度(Tc)超导材料等诸多方面。目前国外有关钙铁矿导电陶瓷的研究主要集户在含La导电陶瓷的研究上。然而含La导电陶瓷作为电解质材料易与贱金属电极发生反应形成氧化层,影响器件的性能。近年来有关不含La导电陶瓷的研究也逐渐成为导电陶瓷研究的一个热点。通常把离子电导率大于1S/m、活化能小于0.5Ev的物质称为快离子导体,或超离子导体、固体电解质。离子运动引起的固体导电现象早就被人们发现并得到应用。早在100年前,法拉第就发现了第一种固体电解质PbF2。用揍杂氧化铁做成的宽带光源是快离子导体的第一个应用。
      
      三、压电晶体材料
      
      压电晶体一般指压电单晶体,是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心,因此具有压电性。如水晶(石英晶体)、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。相比较而言,压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状,但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差,因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用,但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱,介电常数很低,受切型限制存在尺寸局限,但稳定性很高,机械品质因子高,多用来作标准频率控制的振子、高选择性(多属高频狭带通)的滤波器以及高频、高温超声换能器等。
      
      非中心对称晶体,在机械力作用下产生形变,使带电质点发生相对位移,从而在晶体表面出现正、负束缚电荷,这样的晶体称为压电晶体。压电晶体极轴两端产生电势差的性质称为压电性。有一类十分有趣的晶体,当你对它挤压或拉伸时,它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶(α-石英)是一种有名的压电晶体。压电晶体是用量仅次于单晶硅的电子材料,用于制造选择和控制频率的电子元器件,广泛应用于电子信息产业各领域,如彩电、空调、电脑、DVD、无电线通讯等,尤其在高性能电子设备及数字化设备中应用日益扩大。低腐蚀隧道密度压电晶体是生产SMD频率片、手机频率片的必需材料。压电晶体产品品种主要有:Z棒、Y棒、厚度片、频率片。
      
      石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器(TCXO)、电压控制晶体振荡器(VCXO)、恒温控制式晶体振荡器(OCXO)和数字化/μp补偿式晶体振荡器等类型。恒温晶体振荡器(OCXO)这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术,将晶体置于恒温槽内,通过设置恒温工作点,使槽体保持恒温状态,在一定范围内不受外界温度影响,达到稳定输出频率的效果,主要用于各种类型的通信设备,包括交换机、SDH传输设备、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设备等领域。根据用户需要,该类型晶振可以带压控引脚。温度补偿晶体振荡器(TCXO)对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段,主要原理是通过感应环境温度,将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率,达到稳定输出频率的效果。传统的TCXO是采用模拟器件进行补偿,随着补偿技术的发展,很多数字化补偿大TCXO开始出现,这种数字化补偿的TCXO又叫DTCXO,用单片机进行补偿时称之为MCXO,由于采用了数字化技术,这一类型的晶振再温度特性上达到了很高的精度,并且能够适应更宽的工作温度范围,主要应用于军工领域和使用环境恶劣的场合。
      
      压电晶体所能产生的稳定不变的振动正是无线电技术中控制频率所必须的,彩色电视机等许多电器设备中都有用压电晶片制作的滤波器,保证了图像和声音的清晰度。石英电子表中有一个核心部件叫石英振子,就是这个关键部件保证了石英表比其他机械表更高的走时准确度。利用压电晶体甚至可以测量管道中流体的压力等。压电晶体还广泛应用于声音的再现、记录和传送。安装在麦克风上的压电晶片会把声音的振动转变为电流的变化。声波一碰到压电薄片,就会使薄片两端电极上产生电荷,其大小和符号随着声音的变化而变化。这种压电晶片上电荷的变化,再通过电子装置,可以变成无线电波传到遥远的地方。这些无线电波为收音机所接收,并通过安放在收音机喇叭上的压电晶体薄片的振动,又变成声音回荡在空中。可以说麦克风中的压电晶片能“听得见”声音,而扬声器上的压电晶体薄片则会“说话”或“唱歌”。压电晶体材料是制造声表面波器件、谐振器、振荡器等频率元件的关键材料。压电薄膜制作的3GHz以下的高频率SAW器件已商品化,并已应用于光纤通信及卫星通信系统中。压电晶体与薄膜材料有两个特别值得注意的发展方向:一是结构由晶体向薄膜方向发展,这对信息产业的通信领域高频化发展具有重要意义;二是功能向复合效应方向发展。
      
      四、新型绿色电池材料
      
      新型绿色环保电池是指近几年来已经投入研发或者正在使用的一类无污染、高性能电池的统称。锂离子电池就是其中一种新型绿色环保电池,当然,除了锂离子电池外,还有其它类型新型绿色环保电池。新型绿色环保电池中已经大量使用的是锂离子电池和金属氢化物镍电池;新型绿色环保电池中正在推广使用的有无汞碱性锌锰电池;新型绿色环保电池中正在研发的有锂离子塑料电池、电化学贮能超级电容器和燃料电池都属于新型绿色环保电池的范畴。除了以上这些外,利用太阳能进行光伏发电的太阳能电池也是属于新型绿色环保电池的一种。目前已经大量使用的金属氢化物镍蓄电池,锂离子蓄电池和正在推广使用的无汞碱性锌锰原电池和可充电电池以及正在研制,开发的锂或锂离子塑料蓄电池和燃料电池等都属于这一范畴。此外,目前已广泛应用并利用太阳能进行光电转换的太阳电池(又称光伏发电),也可列入这一范畴。
      
      金属氢化物镍蓄电池(MH)与镉镍蓄电池(NiCd)有相同的工作电压(1.2V),但由于采用稀土合金或TiNi合金贮氢材料作为负极活性物质,取代了致癌物质镉,不仅使这种新型电池成为一种绿色环保电池,而且使电池的比能量提高了近40%,达到60~80Wh/kg和210~240wh/L。锂离子蓄电池系由可使锂离子嵌入及脱嵌的碳作负极,可逆嵌锂的金属氧化物作正极和有机电解质构成,其工作电压为3.6V,因此一个锂离子电池相当于三个镉镍或金属氢化物镍电池。这种电池逐步实现产业化,并且首先使用于手机电池。目前虽然它在手机上的主导地位逐步被锂离子电池取代,但是在欧美手机应用中,其市场占有率仍在50%左右。
      
      金属空气电池具有原材料丰富、安全环保、能量密度高等一系列优点,被称为新型绿色能源,具有良好的发展和应用前景。金属空气电池的阳极为活泼金属(如Mg、Al与Zn等),放电时金属M被氧化成相应的金属离子Mn+;电解液为碱性或中性介质,如KOH或NaCl水溶液;阴极活性物质为空气中的O2,放电时O2被还原成OH-。由于O2可完全依靠电池外部供应,不需要储存在电池内部,因此金属空气电池的阴极材料实质为促使O2还原的催化剂。开发金属空气电池需解决的问题是阴极空气扩散电极的制备和高性价比氧还原催化剂的合成。
      
      碱性锌锰干电池较同尺寸普通干电池具有更高的容量,并具有大电流放电的能力。近年来已应用了无汞锌粉,因此使这种电池成为一种绿色电池,并成为原电池中的主流产品,同时,世界各国也关注这种电池的可充性,美国一家公司已推出可充碱性锰电池,产品应用缓慢增长中。这种电池保持了原电池的放电特性,而且能再充电使用几十次至几百次。锂塑料蓄电池是金属锂为负极,导电聚合物作电解质的新型电池,其比能量已达到170wh/kg和350wh/l。锂离子塑料蓄电池则是将目前锂离子蓄电池中的有机电解液贮存于一种聚合物膜中,或是使用导电聚合物为电解质,使电池中无游离电解液。这种电池可以用铝塑料复合膜实现热压封装,具有重量轻、形状可任意改变,安全性更好的特点。燃料电池则是一种利用燃料(如氢气或含氢燃料)和氧化剂(如纯氧或空气中的氧)直接连续发电的装置,由于避开了卡诺循环的限制,这种发电装置不仅效率高(电化学反应转换效率可高达40%以上),且无污染气体排出,因此是未来的高效、清洁发电方式,也是电动汽车理想的动力源。
      
      太阳电池是采用p-n结的光电效应,利用太阳能发电的器件,根据用户对功率的要求,由这种器件构成组件或方阵成为发电装置。显然这种发电方式具有其他发电方式不可比拟的优点:无需燃料、无污染、无噪声、运行简单可靠、少维护、建设周期短,因此,光伏发电是未来世界新能源中最有希望的一种。除以上外,一种超级电化学电容器贮能技术也在受到广泛注意,近来已有应用产品问世,其主要特点是能大电流脉冲放电,因此具有极高的比功率。
      
      在众多的新型绿色环保电池中,锂离子电池是性价比、性能、技术等方面综合来说是最有优势的。作为通信使用的电池,以下新型绿色电池技术和相关产业发展尤为迅速:贮氢材料及金属氢化物镍蓄电池;锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子蓄电池;聚合物电解质锂蓄电池或锂离子蓄电池;锌空气电池和PEM燃料电池。除上叙外,针对我国通信产业的高速增长,我国电池工业界正以极高的速度推动环保型无汞碱性锌锰原电池及可充电电池和密封铅酸蓄电池的技术发展及扩大应用市场。
      
      新型绿色电池技术近年来发展迅猛,产业化进程加快。高性能、无污染的新型绿色环保的锂离子电池作为通信及电动车辆动力电池,被普遍看好且发展潜力巨大。目前,在动力电池方面,国际上锂离子电池最好的材料克容量为每克120毫安~130毫安,我国新材料的克容量水平已经超过每克140毫安,技术水平处于国际领先地位。
      
      五、结束语
      
      总之,电子元器件正进入以新型电子元器件为主体的新一代元器件时代,它将基本上取代传统元器件,电子元器件由原来只为适应整机的小型化及新工艺要求为主的改进,变成以满足数字技术、微电子技术发展所提出的特性要求为主,而且是成套满足的产业化发展阶段。
      

    编辑:Harris
      
      

    电子元件发展中的新材料随着电子行业的快速发展,电子设备的轻薄小型对电子元件小型化、设计差异化及绿色节能等要求越来越强烈,新型高端元件发展以关键材料为突破口并成为世界各国发展新一代实用化、节能化及环保化电子元件技术制高点。