玩转陶瓷材料_精细陶瓷之电子陶瓷篇

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玩转陶瓷材料_精细陶瓷之电子陶瓷篇的图1

■邱耀弘 /ACMT

摘要

陶瓷材料老早就使用在电子产业上，只是大家没有注意到，在数百年以前陶瓷就已经被使用在电子被动元件的电容 (Capacitor, C) 上，随后的电感 (Inductors, L)、和电阻 (Resistor, R)，甚至在主动元件上的积体电路之封装，陶瓷材料都已经被使用中。好的，为了要让 ACMT的读者们能够概略的了解陶瓷材料使用于电子用途，本篇将为各位说明影响人类近半个世纪的电子技术，竟然依赖古老的陶瓷材料，并且大量的搬上电路板上，精彩可期请勿错过！

陶瓷材料的光电磁效应 – 材料中的特性

首先我们必须了解，近代物理学已经确认了磁电不分家，磁与电有几个特色：磁场是收敛的的而电场却是发散的，磁电互生也是很有趣的，更进一步的证实光、电、磁也是一家人，从爱因斯坦的相对论中就提到，光会被重力所干扰，到近几年才发现因为光也有和电、磁一样的特性，足见当代物理学家们的伟大发现。

和人类生活息息相关且感受的到的是电，停电了，对生活上种种的不方便，那是最为明显，因为人类是不遗余力对电能的开发和应用，而陶瓷材料就理所当然的贡献其所长。以下说明陶瓷作为一些用在电路上功能：

■ 绝缘：用于相对电能的隔离与绝缘，由于陶瓷的绝缘阻抗特性很高，除非电流很大 ( 上千伏特 )，陶瓷是可以有效的隔离电流，因此在国家电网的设备上最容易看到如电缆线的陶瓷绝缘子 (Ceramic Insulator，直译又翻成碍子、艾子或碍子 )，还有小到电子点火器用的隔离正负极导线的陶瓷管，请见图 (1) 所示，这些都是陶瓷材料做成的，大多是以白色的氧化铝 / 氧化锆等精密陶瓷元件，已经不是传统陶瓷那种强度不高、杂质多的陶土，以防止陶土中有过多孔隙易碎裂、高温易产生融化以及严重的短路 ( 由于陶瓷不纯物导致引电弧 )。在绝缘陶在高科技应用的今天已经不只上述几种，例如用于航天的陶瓷电子基板 ( 氧化铝与碳化硅 ) 以及积体电路散热片 ( 氮化铝 )，也早已经使用有 10 年以上的时间了，在高温环境下耐高电流、高电压，陶瓷是很棒的选项！

图 1: 各种大小电流适用的陶瓷绝缘器

■ 电阻：如金属氧化膜电阻器，利用于其本身即是陶瓷，所以高温下稳定，耐热冲击，负载能力强按用途分，有通用、精密、高频、高压、高阻、大功率和电阻网络等；另外如敏感电阻器等，系指其电阻值对于某种物理量 ( 如温度、湿度、光照、电压、机械力、以及气体浓度等 ) 具有敏感特性，当这些物理量发生变化时，敏感电阻的阻值就会随物理量变化而发生改变，呈现不同的电阻值。根据对不同物理量敏感，敏感电阻器可分为热敏、湿敏、光敏、压敏、力敏、磁敏和气敏等类型敏感电阻。敏感电阻器所用的材料几乎都是半导体材料，这类电阻器又称为半导体电阻器。如图 (2)。

图 2: 左为陶瓷电阻器，右为压敏 ( 电压 ) 电阻器

■ 电容：材料的电容与介电、电阻三者是合体的电气特性，每一种材料都有这些特性，但是陶瓷材料有特别明显的功能和低成本的优势，除了不耐机械撞击与冲击 ( 脆性使然 ) 之外，因为陶瓷元器件是一种固体的物质，非常的耐用且安定，以钛酸钡 (TiBO2) 为基础的陶瓷电容器至少已经应用有上百年的历史，也推进了人类设计电路板的技术，各种各样的陶瓷电容器让电路安定，有效的发挥各种电子功能；此外，由于陶瓷的介电特性很好，利用其介电特性作为触控开关的氧化锆、触控屏材质的玻璃，都是陶瓷材料的强项，如图 (3) 所示。

图 3: 左为电路板常用的贴片电容、中为插件电容、右侧手机的触控面板为玻璃，也是陶瓷材料，中间的起始键 (Home key 或称本位键 ) 上的氧化锆陶瓷片，厚度仅 0.08mm，作为与玻璃面板相比有较高的介电系数，可以作为更明确的信号触发和感测。

■ 感测：利用陶瓷的电子和电洞受到气体物质的渗透而发生移动产生电位差，就可以当成传感器，最普遍的例子就是氧浓度侦测器，利用氧化锆对氧气分子的敏感特性，是一种常见用于工作场所、居家环境的氧浓度侦测，成为火警的辅助报警之用。

■ 电感与磁性：又称磁性陶瓷，由于陶瓷材料可以控制其不同的氧化价数使其并不全然的绝缘，透过与金属线圈的牵制作用可形成电感，如图 (4) 所示，以铁氧体为主要角色添加许多氧化物经过烧结得到铁粉芯，在铁粉芯上缠绕各种线圈，把铁氧陶瓷的功能发挥出来形成电感，是近代无线电技术以及电磁屏蔽技术重要的一环，用以过滤电波稳定系统以及改善电磁放射对设备的干扰、对人体的伤害。

图 4: 以氧化铁制作成铁粉芯，在经过绕线加工的各种电感，应用在电磁波吸收上，是电路板必须使用的元器件

■ 压电：如图 (5) 所示为压电陶瓷 (PEIZO) 是很有趣的一种功能特性，机械作工使陶瓷材料晶格变形产生电，逆向也可以用电产生机械变形，这样压电陶瓷用途就很广泛，除可以产生高电压引发电弧作为启动器 ( 机场的高压氙气灯启动器 ) 或是点火器 ( 各位读者您家庄的瓦斯炉，旋转可以发生电弧便是压电陶瓷点火器 )，另外，由于压电陶瓷受到电力驱动可以产生机械变形，也可以用来作为蜂鸣器 ( 压电陶瓷贴在金属片上形成震动膜片，能够鼓动空气通过发音孔，如吹口哨般的发音 )，或是微机电上的蠕虫驱动器 ( 一种微量的线性马达，由于一整排的压电陶瓷脚向蠕虫般运动，可以将物体往前或后进行精密的微量传送，常用在半导体加工的驱动装置 )，当然，有可以利用压电陶瓷送出超音波震动，只要给予正确的脉冲供电，压电陶瓷是很多用途的；对，日本东京车站设置了压电陶瓷发电机，当人们走过产生震动发电，一年的总电量可以提供一个家庭使用一整年，是不是很有趣的电子陶瓷 ?

图 5: 压电陶瓷是机械能 - 电场的交替作用，因此用途极为广泛；电致变形与变形发电是这种陶瓷的有趣功能

光电：光电效应最常用的透光的玻璃，但是别看玻璃只有透光，包含抗UV穿透、滤光、抗高温、高强度，玻璃的种类又是一门单独的材料课程，举例来说：普通的钠玻璃 ( 切断面有绿色的 )、耐高温的高硼硅玻璃和石英玻璃 ( 切断面就是无色 )、蓝宝石基板 ( 氧化铝刚玉 )、玻璃陶瓷 ( 康宁玻璃的产品 )，另外电致变色陶瓷玻璃也很有趣，在玻璃的表面镀上一层氧化钨薄膜并使其构成回路就可以透过电流控制其穿透性，光致变色玻璃则是因为UV光照射使其立刻反应变深色，用在太阳眼镜上的传统民生产品很普遍。

小结

利用电流对材料施加产生的功能利用，在中文的上位名词称之为电致 (Electro induced) 效应，在金属材料最容易看到电致发热 ( 因电阻而成为加热作用 )、电致发光 ( 钨灯丝 )，而在陶瓷材料的电致性能则更为丰富，甚至是可逆的 ( 例如压电陶瓷是电致变形，可逆则成为变形发电 )，电致变色、电致变磁、电致变容等等，人类的智慧取撷自造物者的恩惠，妥善应用身边的资源成为可用的元器件，造福人群也能发财，真是有趣的技术 !! ■