新一代信息技术背景下我国电子陶瓷的发展机遇和挑战

2021-05-30朱宇平

新材料产业 2021年6期

朱宇平

电子陶瓷由于机械强度高、绝缘电阻高、耐高温高湿、抗辐射、介质常数宽、电容量变化率可调整等优良性能，在电子信息、智能汽车、新能源、航空航天等领域已得到广泛应用[1]。电子陶瓷是电子信息产业范畴内制备基础电子元件的关键材料，世界各国高度重视，纷纷加快研发进程，是国际电子工业发展必备的高技术新材料[2-3]。随着新一代信息技术的快速发展，各应用领域对电子元器件的性能、品质要求愈高，因此电子元器件对高性能电子陶瓷材料的需求成为必然趋势，市场前景广阔。

1 国内外电子陶瓷发展现状

1.1 电子陶瓷特性及分类

电子陶瓷因具有独特的光学、磁学、电学特性，成为电子信息产业中各类电子元器件制造的关键原材料，在自动化、通讯、能源转化、存储和电子等领域发挥着至关重要的作用。

从功能上来讲，电子陶瓷一般可以分为装置陶瓷和功能陶瓷2类。对于装置陶瓷而言，需具有优良的机械性能、热物理性能和耐蚀性能，主要用于制造电子电路用基体、基片、外壳、连接件、固定件等器件；功能陶瓷则主要是应用其具有的电、光、磁等功能特性，同时各性能之间在应用过程中按实际需求也能进行相互转换，主要用于制造电容、电阻、电感、滤波器、传感器等电子器件。与传统材料相比（如塑料、环氧树脂），电子陶瓷具有优异的电阻性能、导热性能及热稳定性，因而在热性能、气密性和稳定性要求苛刻的电路环境中得以广泛应用。

从用途上来讲，电子陶瓷可以分为绝缘装置瓷、离子陶瓷、半导体陶瓷、压电陶瓷和电容器瓷5类（如图1所示）。各类陶瓷的主要成份、特性及主要应用领域见表1所示。

1.2 全球电子陶瓷发展情况

随着科学技术的快速发展，传统消费类电子产品已难以满足电子信息技术需求，亟待更新换代，要求电子陶瓷元器件的性能需进一步改善与提升。因此世界各国研究机构在电子陶瓷用原材料、工艺研发方面都投入大量的人力、物力进行研发，以抢占先机。

目前，全球电子陶瓷市场主要由国外电子陶瓷厂商占据，具体包括日本村田制作所（村田）、日本京瓷株式x会社（京瓷）、日本德山株式会社（德山化工）、日本住友化学工业株式会社（住友化学）、日本堺化学工业株式会社（Sakai）、美国福禄公司（Ferro）、日本碳素株式会社（NCI）、日本东邦化学工业株式会社（日本东邦）、日本TDK株式会社（TDK）、美国罗杰斯公司（Rogers Corporation）、德国赛琅泰克集团（CeramTec）等。从技术创新看，电子陶瓷材料的关键核心制备技术仍由欧美、日、韩厂商掌控。從市场份额看，日本企业生产的电子陶瓷种类最多、综合性能最优、应用领域最广、产量最大，在世界电子陶瓷市场占有率遥遥领先（约占50%份额）；美国电子陶瓷产业化发展进程略慢于日本，约占全球电子陶瓷市场份额的30%，位居第2；欧盟方面则比较重视节能环保型的电子陶瓷材料的开发，其电子陶瓷占比约为全球份额的10%[6]。我国电子陶瓷产业起步较晚，相比与美国和日本等经济发达国家尚存在较大差距[8]，对于电子陶瓷的研发仍任重道远。国内外部分重点电子陶瓷企业及重点产品如表2所示。

1.3 我国电子陶瓷发展情况

我国电子信息市场在全球范围内规模最大、增长速度最快，近年来元器件用电子陶瓷的需求不断增加。目前，我国电子陶瓷产业化技术与国外相比尚存在很大差距，高端产品仍靠进口，因此如何突破电子陶瓷关键材料技术瓶颈，实现国产替代迫在眉睫。我国电子陶瓷产业发展开始于20世纪50年代，依次经历了起步探索、初步发展、爆发增长、成熟优化4个发展阶段[9]。

1.3.1 起步探索期（1949—1990年）

1949年新中国成立后，是中国电子陶瓷产业发展的起步探索期。1954年，中国科学院成立冶金陶瓷研究所；1958年，西南无线器材厂（现为成都宏明电子股份有限公司）成立，并于1964年产出中国第1支正温度系数电阻；1970年，潮州市无线电元件一厂（现为潮州三环集团股份有限公司）成立，开始进行制造和销售陶瓷基体和固定电阻器。在此阶段，国内电子陶瓷产品种类单一（陶瓷电容器为主）、主要用于国防配套电子元件需求。

1.3.2 初步发展期（1991—2000年）

1991—2000年，随着我国实施“改革开放”政策，全球电子产业生产基地开始向国内转移，我国电子元器件行业迎来了发展的初期。在此阶段，风华高科、三环集团等企业进行改制，电子陶瓷相关产品的研发及生产开始以迎合市场需求为主流。1991年，中国科学院上海硅酸盐研究所成立“高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室”，搭建电子陶瓷综合研发平台，为促进我国电子陶瓷的发展起到了重要作用。1994—1995年，日本村田制作所（村田）和日本京瓷株式会社（京瓷）分别在北京和上海设立子公司，标志着外资电子陶瓷生产企业正式进入中国市场。

在此期间，我国也对电子陶瓷研发进行科技计划重点扶持等系列举措，综合实力有所提升，较好促进了我国电子陶瓷的产业化发展，但国内电子陶瓷企业对电子陶瓷用原材料、制备技术及生产装备的进口依赖性很大，行业整体处于初步发展阶段。

1.3.3 爆发增长期（2001—2010年）

2001—2010年，根据工业和信息化部统计数据显示，我国基础电子产品制造业全社会投资加速增长，电子陶瓷行业迎来爆发增长期。在此期间，顺络电子、宇阳科技、国瓷材料等一批特色企业相继成立，同时部分电子陶瓷生产企业先后从美国、日本、瑞士等国家引进了高品质瓷介圆片电容器生产线以及片式多层陶瓷电容器全套生产线技术和部分关键装备，并进行了消化吸收、研发创新，国内电子陶瓷研发制备技术实力迅速提升。

这期间，我国电子陶瓷行业发展受益于基础电子产品的快速发展与国家对电子信息产业化领域的政策支持。行业内企业数量增多，产能扩大，但自主核心技术尚未形成，仍以引入技术、设备的消化、吸收和再创新为主要技术创新模式，处在自主技术的研发积累阶段。

1.3.4 成熟优化期（2011年至今）

2011年3月，为进一步促进我国新型电子元器件产业快速发展，国家发展和改革委员会发布《产业结构调整指导目录（2011年）》，明确提出将“应用于医学、工业、航空航天、电子等领域的特种陶瓷生产及装备、技术开发”和“新型电子元器件（频率元器件、片式元器件、电力电子器件、混合集成电路、敏感元器件、光电子器件及传感器、新型机电元件）制造”列入国家鼓励类产业，以提升核心元器件的国产化率和产业链附加值，提升核心元件的国产化率，标志着我国电子陶瓷行业在这一阶段将以转型升级为核心目标。我国电子陶瓷企业采取多元化措施提升产品竞争力和附加值，推动企业自身产品结构升级，例如风华高科与清华大学、中科院上海硅酸盐研究所等进行技术合作，成立了“新型电子元器件关键材料与工艺国家重点实验室”，加快推进产学研一体化快速发展；三环集团成立三环研究院，搭建技术创新研发平台，专注于攻克电子陶瓷产业化核心技术，积极推进电子陶瓷国产替代。

该阶段，我国电子陶瓷企业在技术、工艺、产业链、大型企业认证方面趋于完善，部分量产的核心技术产品在质量方面甚至已经追赶上了日本产品。相比于外资企业，国内企业在成本方面具有很强的优势，国内市场份额占比将不断扩大。随着中美贸易战的爆发，我国电子陶瓷行业亟待进行进一步技术革新，以优化产品结构、提升产品附加值、加速实现电子陶瓷用关键部件的国产化替代为主要目标，中国电子陶瓷行业将整体迈入成熟优化阶段。

2 电子陶瓷应用及市场前景

2.1 电子陶瓷行业产业链与应用[9]

一般来说，电子陶瓷行业产业链涉及3部分：产业链上游参与者为电子陶瓷粉体、有色金属浆料、化工原料、生产设备等供应商；产业链中游主要是电子陶瓷生产企业；产业链下游为消费电子、信息通信、新能源、汽车工业等电子产品生产企业（如图2所示）。

电子陶瓷行业的上游是原材料及设备供应商。涉及的原材料主要包括3类：①氧化铝、氧化锆等电子陶瓷粉体，部分已实现国产替代，代表企业有国瓷材料、东方锆业、江西赛瓷等。但仍有多种电子陶瓷粉体难以与国外同类产品相媲美，进口为主。②银浆、贵金属等浆料，大部分依赖进口。③化学类物品，主要向美國企业进口。电子陶瓷用生产设备主要指电子陶瓷粉体合成设备、精密电子陶瓷薄膜流延机、热压烧结设备，激光切割机等，部分设备已经实现国产化，进口依赖性相对减小。

中游主体的电子陶瓷生产企业参与者包括外资企业、大型国有企业以及中小民营企业，主要是从事电子陶瓷类元件和产品的研发、加工和销售。中游产业链涉及企业均属于资金密集和技术密集型企业。在研发和生产过程中，由于电子陶瓷制备工艺相对复杂，进行技术创新突破，需要以研发技术人员和高精度自动化设备作为支撑。在制备过程中，各环节都会影响电子陶瓷材料性能，行业壁垒相对高，需要进行规模集约化管理以降低成本。

电子陶瓷产业链下游主要应用于终端消费电子产品、信息通信、汽车工业、新能源、航天军事等领域，其作为我国新一代信息技术产业发展所需的关键战略材料之一，应用领域将不断扩展，需求将持续增长。下游产业高速增长将推动电子陶瓷相关元器件的需求快速增长。

2.2 应用技术需求分析[10]

2.2.1 国家政策扶持

电子陶瓷属于基础电子产业领域，是构建电子信息产业大厦的基石，其质量性能直接决定了电子信息产业的综合竞争力。随着新一代信息技术、新能源汽车、物联网等新兴产业的加速发展，基础电子产业发展的战略性地位愈发突出，为此我国政府颁布了系列措施以推动我国电子陶瓷行业升级。

2015年5月，中国工业和信息化部（以下简称“工信部”）发布《<中国智造2025>重点领域技术路线图》，明确提出将电子陶瓷列入关键战略材料。2016年11月，国家发展和改革委员会（以下简称“国家发改委”）发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，明确提出到2020年力争使若干种新材料进入到全球供应链，重大关键材料的自给率达到70%以上，我国初步实现由材料大国向材料强国的战略性转变。以上政策从国家层面明确了电子陶瓷材料发展的目标，必将会加大对电子陶瓷国产化扶持力度，为该行业发展提供了良好的政策支持环境，相关政策见表3。

2.2.2 市场需求持续增长

与传统材料相比，电子陶瓷具有传统材料不可比拟的优势，其应用领域不断扩大，市场需求持续增长。如对计算机、笔记本电脑、平板电脑等领域产品的性能提升，电子陶瓷取代部分金属与塑料部件成为必然；在通讯领域，随着5G技术普及应用，万物互联将成为趋势，必然会加大光传感器、5G通讯零部件、晶振等电子陶瓷元器件需求的增长；随着汽车产业链智能化的到来，汽车电子产业迅速崛起，对电子陶瓷元件需求量增大。以上相关行业的迅速发展，必将直接拉动电子陶瓷市场需求的快速增长。

2.2.3 国产替代进口将成为主流

电子陶瓷是电子元器件制造不可或缺的基础材料。国内电子陶瓷企业与日本、欧美等企业在生产规模、产品质量和工艺水平方面相比仍存在一定差距，如产品附加值相对较低、许多电子整机中关键陶瓷元件仍然依赖进口。通过发展，我国在电子陶瓷产业链中虽然已建立起一批具有较强自主创新能力、具备较好国际竞争力的电子陶瓷相关公司（如潮州三环、火炬电子、风华高科等），但这些企业的产品在国内市场所占份额很低（不到20%），其余市场仍被日本、欧美等外资企业占领。

随着国家政策的进一步扶持，我国电子陶瓷材料自主核心技术继续提升，产能进一步扩大，国产替代将成为发展主流。

2.3 市场前景分析

电子陶瓷在电子信息化产业领域的应用非常广阔。我国电子陶瓷市场规模从2014年的346.6亿元增长至2020年的756.4亿元，年复合增长率达13.7%，电子陶瓷元器件总体需求处于上升发展期[6]（见图3）。

新一代信息技術的不断突破，对电子元器件领域用电子陶瓷产品的需求进一步扩大。例如随着5G通信、汽车电子、物联网、增强现实（AR）等新应用领域的拓展，必然会带动声表面波滤波（SAW）元件、石英晶体元件、封装用陶瓷基座元件的快速增长；随着氢能源应用技术的成熟，燃料电池用陶瓷隔膜板需求量会逐步释放；随着智能穿戴产品的逐渐普及，必然会带来对陶瓷外观件需求量的增加等。在未来5年，随着国产替代进口速度加快，我国电子陶瓷市场规模将继续保持高速增长趋势。预计到2023年，我国电子陶瓷市场规模有望超过1 145亿元。

3 存在的主要问题及差距

前文提到，由于电子陶瓷制备具有较高的技术壁垒，该行业长期被美国、日本及欧洲的相关公司所垄断。虽然我国部分电子陶瓷在理论研究和实验水平方面已经达到了国际先进水平，但与欧美和日本等经济发达国家相比尚属起步阶段，未来发展空间广阔。目前，与国外相比，我国电子陶瓷行业存在的问题及差距主要有以下4个方面。

3.1 高端粉体制备技术短板[9]

在电子陶瓷制备工艺中，粉体质量是关键。制约我国电子陶瓷产业发展的主要瓶颈是制备高纯、高性能、超细陶瓷粉体的技术。目前，日本是全球电子陶瓷粉体的最大生产国（约65%市场份额），其中日本堺化学工业株式会社（Sakai）是全球电子陶瓷粉体材料的最大生产商，约占全球市场份额的28%。其次是美国福禄公司（Ferro）和日本碳素株式会社（日本NCI），分别占比约28%、14%。山东国瓷功能材料股份有限公司、日本富士钛工业株式会社（日本FujiTi）、日本共立材料株式会社（日本KCM）、日本东邦电子株式会社（日本东邦）分别占约10%，9%，8%，6%[6]。

从全球市场占有份额来看，我国高端电子陶瓷粉体制备技术尚未完全突破，主要依赖进口。例如，对于99.99%的高纯氧化铝粉而言，日本企业生产的氧化铝粉体在1 300℃即可实现烧结，而国内企业的烧结温度则需达到1 600℃以上；对于高纯氮化硅粉体，目前仍受制于日本宇部兴产株式会社（UBE）和德国斯达克公司（H.C.Stark），亟待在粉体质量一致性的研发上下功夫。

3.2 电子陶瓷制造装备水平有待提高[12]

虽然我国可以引进国外先进的电子陶瓷制造装备来提升制备技术水平，但投资金额大，在一定程度上限制了国内电子陶瓷行业的发展。另外，我国电子陶瓷用国产化制造装备以仿制居多，关键制备技术尚未完全掌握，导致部分电子陶瓷产品的可靠一致性下降，难以与国外同类产品进行竞争。因此，我国电子陶瓷装备制备水平是制约国内电子陶瓷行业发展的关键因素之一。

3.3 新产品产业转化效率低[12]

全球共有200多种陶瓷材料及2000多种应用产品。对于国内电子陶瓷行业而言，绝大部分仍停留在实验室阶段，距离产业化目标还存在较大距离，尚未实现产学研的有机结合。另外，部分产品由于制备成本及可靠性等问题难以普及，所以我国在新产品的研发应用方面需加快赶超步伐。

3.4 行业缺乏头部规模企业[9]

我国电子陶瓷相关企业超过 300家，但大部分为中小微企业（约占70%），且产品单一，生产成本较高，欠缺市场竞争力。另外，在研发过程中，缺乏自主创新；采用粗放发展的方式导致了产品产能过剩。例如近年来，泡沫陶瓷、陶瓷刀具“供大于求”，部分中小企业生存困难，甚至倒闭。

4 电子陶瓷发展的重点方向[6，13-17]

4.1 小型化&微型化

为满足电子信息化技术的需求，器件的小型化、微型化已成为发展趋势，各类以电子陶瓷材料为基础的无源元器件提出了更高的性能要求，这也是限制整机小型化、微型化的实现瓶颈。

目前，小型化、微型化电子陶瓷元器件市场需求非常大，如片式多层热敏电阻、片式压敏电阻、多层压电陶瓷变压器等、片式电感类器件。当前片式化功能陶瓷元器件是构成电子陶瓷无元器件的主要部分，因此加强陶瓷元器件小型化与微型化研究是电子陶瓷发展重点方向之一。

4.2 高频化&频率系列化

随着通信终端设备的小型化和便携化，高性能微波介电陶瓷的地位愈发重要，同时提出了对微波陶瓷介质材料及其微波谐振器，微波电容器、微波滤波器等更高性能的要求。因此，新型电子元器件领域的研究热点是开发工作频率可以达到高、中、低系列化的电子陶瓷材料。

4.3 集成化&模块化

随着电子产品的功能多样化、集成高度化、数字化及低成本化的发展要求，电子陶瓷元器件必然向小型化、功能集成化、器件组合化及低成本化方向发展。要想实现电子陶瓷的小型化、功能集成化，关键在于先进异质材料共烧技术与低温共烧陶瓷技术，这是目前电子陶瓷领域的重要研究方向。

4.4 功能复合化&多样化

随着电子信息市场竞争加剧，单一能电子陶瓷元件已难以满足性能需求。将电子陶瓷与其它材料（半导体、金属等）结合起来制成复合电子陶瓷以满足电子元器件在不同领域的应用需求，成为电子陶瓷发展的必然趋势。因此加强复合电子陶瓷的开发是当前研究重点之一，这为电子陶瓷器件化提供重要的技术支撑。

4.5 无铅化&环境友好化

为满足人类社会的可持续发展以及环保的要求，加强对环境友好电子陶瓷的开发成为电子陶瓷cailiao研究重点之一。如发展非铅系的压电陶瓷来替代当前用锆钛酸铅体系则具有重大意义。

5 促进电子陶瓷产业发展的几点建议

5.1 加强国家政策支持

我国电子陶瓷行业内企业的核心技术基本依靠引进，缺乏一定的自主创新能力，这必然会限制企业发展，也难以提高其产品市场竞争力。因此，我国要进一步加强电子陶瓷发展政策支持，提升国内资本吸引力，加大研发资金支持力度，培育中国品牌，实施大公司战略，推动促进国内的相关企业做大做强。

5.2 加强基础研发创新，提升国际竞争力

近年来，虽然我国电子陶瓷产业化发展较快，在部分领域甚至已逐步实现国产替代。但与国外相比，尚有较大差距，具体体现在缺乏高附加值电子陶瓷产品品牌，高端产品仍依赖进口；高性能原材料的质量一致性及元器件、陶瓷靶材性能稳定性等问题亟待解决；国产设备与国外相比亟待提高；产学研有机结合不到位，科研成果转化为实际生产力时间漫长。为此，为提升我国电子陶瓷行业在国际上的竞争力，我国应加大基础科研研究力度，着力突破电子陶瓷材料及核心工艺技术的研发创新，建立包含自主知識产权的新型电子陶瓷产业体系。

5.3 加强人才队伍建设

电子陶瓷是新一代电子信息技术发展的基石。随着电子信息产业的快速增长，对集成电路用电子陶瓷材料的性能和品质要求也越来越高，高质量专业人才缺口已经成为电子陶瓷产业亟待解决的问题，人才是制约电子陶瓷产业发展的关键因素。

当前，我国电子陶瓷产业对科研人员的激励和培养体制不到位、工程技术人才培养与创新实践脱节，导致企业在产品研发过程缺乏自主创新能力。为进一步实现我国电子陶瓷材料的快速发展，必须要加强电子陶瓷人才培养与队伍建设，建立完善人才激励制度是关键。

5.4 加大创新平台建设

依托国家第3代半导体技术创新中心和研究院，引导企业加强与科研院所、高校的合作交流，加快企业自主创新研发基地的建设，推进产学研高效融合，同时加快半导体、集成电路用电子陶瓷材料中试等创新平台建设，共同探索电子陶瓷行业共性关键技术的协同创新，推动我国电子信息产业发展。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.06.012

参考文献

[1] 祝成波，刘维平.电子陶瓷材料的发展现状与趋势[J].佛山陶瓷，2016，16（1）：30—32.

[2] 甘国友，严继康，张小文，等.电子陶瓷材料的现状与展望[J].昆明理工大学学报（理工版），2004，29（4）：28—33.

[3] 卢安贤，卢仁伟，颜长舒.电子陶瓷材料研究的一些新进展[J].中国陶瓷，1995，31（3）：37—40.

[4] 张文毓.电子陶瓷的研究与应用[J].陶瓷，2020（4）：45—51.

[5] 刘成功.浅谈电子陶瓷发展[J].科技咨询，2010（29）：112.