Elektronische Keramik: Das „Diamantwerkzeug“, das den Billionen-Yuan-Markt der Elektronikindustrie antreibt

Hochleistungskeramik ist ein wichtiger Zweig der neuen Werkstoffindustrie. Die Bereiche hochfeste Strukturkeramik und Funktionskeramik mit mehreren Eigenschaften wachsen rasant. Unter ihnen macht Funktionskeramik etwa 75 % der Hochleistungskeramik aus, und hochpräzise elektronische Keramik macht 80 % der Funktionskeramik aus. Dank der steigenden Nachfrage auf dem Markt für hochwertige Fertigung und den politischen Anreizen für neue Werkstoffe in der Industrie ist der Markt für elektronische Keramik stetig gewachsen.

Elektronische Keramik und miniaturisierte Komponenten sind ein wichtiger Bestandteil der Unterstützung der Entwicklung strategischer High-Tech-Industrien. Beispielsweise steigt in Bereichen wie 5G-Kommunikation, künstlicher Intelligenz, Fahrzeugen mit neuer Energie, industrieller Automatisierung und intelligenter Unterhaltungselektronik die Nachfrage nach leistungsstarken und äußerst zuverlässigen elektronischen Komponenten kontinuierlich und die Marktgröße hat Billionen von Dollar erreicht. Auf internationaler Ebene sind mehrere große Produktions- und Fertigungszentren für elektronische Keramik und Komponenten entstanden, und der Wettbewerb wird immer härter. Als eines der globalen Elektronikfertigungszentren steht China vor Herausforderungen durch internationale Konkurrenten. Daher ist es notwendig, die Investitionen sowie die Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen im Bereich elektronischer Keramik und Komponenten kontinuierlich zu steigern, um die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens auf dem Weltmarkt zu verbessern.

1. Elektronische Keramik verstehen

Die Definition und Klassifizierung elektronischer Keramik ​

Im Großen und Ganzen bezieht sich elektronische Keramik auf „anorganische nichtmetallische Materialien, die durch künstliche Verfeinerung anorganischer Pulver verarbeitet werden, mit spezifischem Strukturdesign, präziser chemischer Zusammensetzung, geeigneten integrierten Form-Sinter-Prozessen und Brennverfahren, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Nach der Verarbeitung erreichen sie die für den Einsatz erforderliche Maßgenauigkeit.“ Diese Materialien verfügen über einzigartige dielektrische Eigenschaften, elektrische, optische, magnetische und andere Eigenschaften sowie hohe Härte, Verschleißfestigkeit und hohe Bruchzähigkeit und spielen daher eine entscheidende Rolle in den Bereichen Elektronik, Kommunikation, Automatisierung, Energieumwandlung und -speicherung.

In Bezug auf die Anwendung können elektronische Keramiken in fünf Kategorien eingeteilt werden: Keramiken für Isoliervorrichtungen, Keramiken mit schnellen Ionenleitern (ionische Keramiken), Halbleiterkeramiken, piezoelektrische Funktionskeramiken und Keramiken für Kondensatoren mit hoher Dielektrizitätskonstante. Die Hauptbestandteile, Temperaturstabilitätseigenschaften, Eigenschaften und Hauptanwendungsbereiche jedes Keramiktyps sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Der vorgelagerte Teil besteht aus Rohstoff- und Ausrüstungslieferanten. Die beteiligten Rohstoffe lassen sich hauptsächlich in drei Kategorien einteilen:

① Elektronische Keramikpulver wie hochreines Aluminiumoxid und Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid wurden teilweise durch einheimische Produkte ersetzt. Allerdings gibt es immer noch viele Arten von elektronischen Keramikpulvern, die die ausländischen Hochleistungs-Benchmarks (ausländische Gegenstücke) nicht erreichen können und hauptsächlich importiert werden.

② Die Pasten wie Silberpasten mit niedrigem Widerstand und Edelmetallpasten werden größtenteils importiert.

③ Chemische Produkte werden hauptsächlich von amerikanischen Unternehmen importiert. Zu den für die Herstellung elektronischer Keramik verwendeten Geräten gehören hauptsächlich Geräte zur Synthese nanoskaliger elektronischer Keramikpulver, Präzisionsextruder für elektronische Keramikfolien, atmosphärisch gesteuerte Heißpress- und Sintergeräte, Laserschneidmaschinen usw. Einige dieser Geräte wurden bereits im Inland hergestellt, was die Abhängigkeit von Importen verringert.

Zu den Hauptteilnehmern der mittelständischen Unternehmen zur Herstellung elektronischer Keramik zählen aus dem Ausland finanzierte Unternehmen, große staatliche Unternehmen sowie kleine und mittlere Privatunternehmen. Sie beschäftigen sich hauptsächlich mit der Forschung und Entwicklung, der Verarbeitung und dem Vertrieb elektronischer Keramikkomponenten und -produkte. Die an der Midstream-Industriekette beteiligten Unternehmen sind allesamt kapitalintensive und technologieintensive Unternehmen. Während des Forschungs- und Produktionsprozesses sind aufgrund des relativ komplexen Herstellungsprozesses elektronischer Keramik für technologische Innovationsdurchbrüche die Unterstützung von F&E-Technikern und hochpräzise automatisierte Geräte erforderlich. Während des Vorbereitungsprozesses wirkt sich jede Verbindung auf die Leistung elektronischer Keramikmaterialien aus, und die Branchenbarrieren sind relativ hoch. Daher ist ein skalenintegriertes Management erforderlich, um die Kosten zu senken.

Der nachgelagerte Bereich betrifft hauptsächlich die Endverbraucherelektronik, die Informationskommunikation, die Automobilindustrie, neue Energien, die Luft- und Raumfahrt sowie den Militärsektor usw. Da es sich um eines der wichtigsten strategischen Materialien handelt, die für die Entwicklung der Informationstechnologieindustrie der neuen Generation in China erforderlich sind, werden seine Anwendungsfelder weiter zunehmen und die Nachfrage wird weiter steigen. Das schnelle Wachstum der nachgelagerten Industrie wird das schnelle Wachstum der Nachfrage nach elektronischen Keramikkomponenten vorantreiben.

2. Durch die enorme Nachfrage ist ein Billionen-Dollar- Markt entstanden .

Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien weisen elektronische Keramikmaterialien Vorteile auf, mit denen herkömmliche Materialien nicht mithalten können. Ihre Anwendungsgebiete erweitern sich ständig und die Marktnachfrage steigt kontinuierlich. Um beispielsweise in den Bereichen Computer, Laptops und Tablet-Computer die Leistung von Produkten zu verbessern, werden elektronische Keramiken zwangsläufig einige Metall- und Kunststoffkomponenten ersetzen, beispielsweise in MLCCs, Thermistoren und piezoelektrischen Keramiklautsprechern. Im Kommunikationsbereich wird mit der weit verbreiteten Anwendung der 5G-Technologie der Trend zum „Internet of Everything“ entstehen, der unweigerlich die Nachfrage nach elektronischen Keramikkomponenten wie optischen Sensoren, 5G-Kommunikationsteilen und Quarzoszillatoren sowie Keramikantennen, HF-Filtern und dielektrischen Mikrowellenkeramiken erhöhen wird; Mit dem Einzug der Intelligenz in die Automobilindustriekette wächst die Automobilelektronikindustrie rasant und die Nachfrage nach elektronischen Keramikkomponenten, einschließlich Sauerstoffsensoren, Keramikzündern und piezoelektrischer Keramik für Ultraschallradar, steigt. Die rasante Entwicklung dieser verwandten Industrien wird das schnelle Wachstum der Marktnachfrage nach elektronischer Keramik direkt vorantreiben und sich über die gesamte Industriekette von Grundmaterialien bis hin zu Präzisionskomponenten erstrecken.

Die Marktgröße für elektronische Keramik in China ist von 34,66 Milliarden Yuan im Jahr 2014 auf 75,64 Milliarden Yuan im Jahr 2020 gestiegen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 13,7 %. Die Gesamtnachfrage nach elektronischen Keramikkomponenten befindet sich in einer Aufwärtsentwicklungsphase. Da sich in den nächsten fünf Jahren die inländische Substitution importierter Produkte beschleunigt, wird die Marktgröße von Elektronikkeramik in China weiterhin einen hohen Wachstumstrend beibehalten. Nach dem Budget der Institution wird der Markt für elektronische Keramik in China im Jahr 2023 voraussichtlich 114,5 Milliarden Yuan erreichen.

3. Die Schlüsselrichtungen der Entwicklung elektronischer Keramik ​ ​ ​

l Miniaturisierung & Mikrominiaturisierung

Um den Anforderungen der elektronischen Informationstechnologie gerecht zu werden, ist die Miniaturisierung und Mikrominiaturisierung von Geräten zu einem Entwicklungstrend geworden. Verschiedene passive Komponenten auf Basis elektronischer Keramikmaterialien stellen höhere Leistungsanforderungen, was auch den Engpass darstellt, der die Verwirklichung der Miniaturisierung und Mikrominiaturisierung der gesamten Maschine einschränkt. Derzeit ist die Marktnachfrage nach miniaturisierten und mikrominiaturisierten elektronischen Keramikkomponenten sehr groß, wie z. B. mehrschichtige Thermistoren vom Chiptyp, spannungsempfindliche Widerstände vom Chiptyp, mehrschichtige piezoelektrische Keramiktransformatoren, induktivitätsartige Komponenten vom Chiptyp und andere Beispiele wie Keramikkondensatoren vom Chiptyp, EMI-Filter vom Chiptyp und Mikrovaristoren. Derzeit bilden chipförmige Funktionskeramikkomponenten den Hauptbestandteil elektronischer passiver Keramikgeräte und ein Schlüsselsegment im breiteren Markt für elektronische Keramik, einschließlich fortschrittlicher Substrate und hermetischer Verpackungskeramik. Daher ist die Stärkung der Forschung zur Miniaturisierung und Mikrominiaturisierung keramischer Komponenten eine der Schlüsselrichtungen für die Entwicklung elektronischer Keramik.

l Hochfrequenzisierung & , Frequenzserienisierung

Mit der Miniaturisierung und Portabilität von Kommunikationsendgeräten ist die Bedeutung leistungsstarker dielektrischer Mikrowellenkeramik immer wichtiger geworden. Gleichzeitig bestehen höhere Leistungsanforderungen an dielektrische Mikrowellenkeramikmaterialien sowie an Mikrowellenresonatoren, Mikrowellenkondensatoren und Mikrowellenfilter, einschließlich Schlüsselprodukten wie Antennenduplexern, Zirkulatoren, Isolatoren und Hochfrequenzsubstraten. Daher liegt der Forschungsschwerpunkt im Bereich neuer elektronischer Komponenten auf der Entwicklung elektronischer Keramikmaterialien mit Arbeitsfrequenzen von hoher, mittlerer bis niedriger Serie.

l Integration & Modularisierung

Angesichts der Entwicklungsanforderungen vielfältiger Funktionen, hoher Integration, Digitalisierung und niedriger Kosten elektronischer Produkte müssen sich elektronische Keramikkomponenten in Richtung Miniaturisierung, Funktionsintegration, Gerätekombination und niedrige Kosten entwickeln, was Innovationen bei Produkten wie integrierten passiven Geräten (IPDs), HF-Modulen, Sensorarrays und mehrschichtigen Keramikgehäusen vorantreibt. Um eine Miniaturisierung und funktionale Integration elektronischer Keramik zu erreichen, liegt der Schlüssel in der fortschrittlichen Co-Firing-Technologie heterogener Materialien und der Co-Fired-Keramiktechnologie bei niedriger Temperatur, die für die Herstellung fortschrittlicher LTCC-Substrate (Low Temperature Co-Fired Ceramic) und multifunktionaler Module von grundlegender Bedeutung sind. Dies ist derzeit eine wichtige Forschungsrichtung auf dem Gebiet der elektronischen Keramik.

l Funktionale kombinatorische & Diversifikation

Mit der Verschärfung des Wettbewerbs auf dem Informationstechnologiemarkt konnten elektronische Keramikkomponenten mit Einzelfunktion die Leistungsanforderungen nicht mehr erfüllen. Die Kombination elektronischer Keramik mit anderen Materialien (Halbleiter, Metalle usw.) zur Bildung elektronischer Verbundkeramiken, um den Anwendungsanforderungen elektronischer Komponenten in verschiedenen Bereichen wie MEMS-Geräten, flexibler Elektronik, Strukturelektronik und biomedizinischen Sensoren gerecht zu werden, ist zu einem unvermeidlichen Trend bei der Entwicklung elektronischer Keramiken geworden. Daher ist die Stärkung der Entwicklung elektronischer Verbundkeramiken einer der aktuellen Forschungsschwerpunkte, der wichtige technische Unterstützung für die Geräteisierung elektronischer Keramiken bietet und fortschrittliche Hybridsysteme wie Piezo-Halbleiter-Verbundwerkstoffe und integrierte Keramik-Metall-Komponenten ermöglicht.

l Bleifrei & , umweltfreundlich

Um den Anforderungen einer nachhaltigen Entwicklung und des Umweltschutzes der menschlichen Gesellschaft gerecht zu werden, ist die Entwicklung umweltfreundlicher elektronischer Keramik zu einem der Schwerpunkte in der Forschung elektronischer Keramikmaterialien geworden. Beispielsweise ist die Entwicklung bleifreier piezoelektrischer Keramiken, beispielsweise auf der Basis von Kaliumnatriumniobat (KNN), Wismutnatriumtitanat (BNT) oder Bariumtitanatsystemen, als Ersatz für das derzeitige bleibasierte Zirkonattitanatsystem von großer Bedeutung für Anwendungen in umweltfreundlichen Aktoren, Energieerntemaschinen und umweltfreundlichen Sensoren.

4. Die wichtigsten bestehenden Probleme

Aufgrund der hohen technischen Hürden bei der Herstellung elektronischer Keramik, einschließlich Schlüsselmaterialien wie hochreinem Aluminiumoxidpulver, Spezialferriten und dielektrischen Formulierungen, wurde diese Branche lange Zeit von Unternehmen aus den USA, Japan und Europa monopolisiert. Obwohl einige der elektronischen Keramiken in China im Hinblick auf theoretische Forschung und experimentelle Fähigkeiten im Vergleich zu wirtschaftlich entwickelten Ländern wie Europa und Japan das international fortgeschrittene Niveau erreicht haben, befinden sie sich noch im Anfangsstadium und verfügen über ein breites Entwicklungspotenzial. Derzeit bestehen die Probleme und Lücken in Chinas elektronischer Keramikindustrie im Vergleich zum Ausland hauptsächlich aus den folgenden vier Aspekten im Zusammenhang mit der fortschrittlichen Herstellung von Komponenten wie Hochfrequenzfilterchips, piezoelektrischen Präzisionswandlern und mehrschichtigen Varistoren.

l Mängel in der Technologie zur Herstellung hochwertiger Pulver

Bei der Herstellung elektronischer Keramik ist die Qualität des Pulvers entscheidend. Der größte Engpass, der die Entwicklung der chinesischen Elektronikkeramikindustrie behindert, ist die Technologie zur Herstellung hochreiner, leistungsstarker und ultrafeiner Keramikpulver, die für Anwendungen in MLCC-Dielektrika, piezoelektrischen Aktormaterialien und fortschrittlichen Halbleiterverpackungssubstraten geeignet sind.

Derzeit ist Japan der weltweit größte Hersteller von elektronischen Keramikpulvern (mit einem Marktanteil von etwa 65 %).

Im Hinblick auf den globalen Marktanteil ist die Technologie zur Herstellung hochwertiger elektronischer Keramikpulver in China noch nicht vollständig ausgereift. Es ist hauptsächlich auf Importe angewiesen. Beispielsweise kann für 99,99 % hochreines Aluminiumoxidpulver, das in Keramiksubstraten, Zündkerzenisolatoren und verschleißfesten Beschichtungen verwendet wird, das von japanischen Unternehmen hergestellte Aluminiumoxidpulver bei 1300 °C gesintert werden, während die Sintertemperatur inländischer Unternehmen über 1600 °C liegen muss; Für hochreines Siliziumnitridpulver, das für Hochtemperatur-Motorkomponenten, Lagerkugeln und Schneidwerkzeuge unerlässlich ist, sind einige Unternehmen immer noch eingeschränkt, und es sind dringend Anstrengungen erforderlich, um die Konsistenz der Pulverqualität in Forschung und Entwicklung zu verbessern.

l Die Produktionsausrüstung für elektronische Keramik muss verbessert werden . ​

Obwohl unser Land fortschrittliche ausländische Produktionsanlagen für elektronische Keramik einführen kann, um das Niveau der Produktionstechnologie zu verbessern, sind die Investitionssummen enorm, was die Entwicklung der inländischen Industrie für elektronische Keramik in gewissem Maße einschränkt. Darüber hinaus handelt es sich bei den in unserem Land hergestellten Produktionsanlagen für elektronische Keramik größtenteils um Nachahmungen, und die wichtigsten Produktionstechnologien sind noch nicht vollständig beherrscht, was zu einem Rückgang der Zuverlässigkeit und Konsistenz einiger elektronischer Keramikprodukte wie mehrschichtiger Varistoren, Hochfrequenzfilter und piezoelektrischer Aktuatoren führt und es schwierig macht, mit ähnlichen ausländischen Produkten zu konkurrieren. Daher ist das Produktionsniveau elektronischer Keramikgeräte in unserem Land einer der Schlüsselfaktoren, die die Entwicklung der heimischen elektronischen Keramikindustrie einschränken.

l Die Effizienz der Transformation der Industrie für neue Produkte ist gering.

Weltweit gibt es über 200 Arten von Keramikmaterialien und 2.000 Arten von Anwendungsprodukten. Die überwiegende Mehrheit der heimischen Elektronikkeramikindustrie befindet sich noch im Laborstadium und es besteht eine erhebliche Lücke zum Industrialisierungsziel. Die organische Verbindung von Industrie, Wissenschaft und Forschung ist noch nicht erreicht. Darüber hinaus ist es aufgrund von Problemen wie Produktionskosten und Zuverlässigkeit schwierig, einige Produkte bekannt zu machen. Daher muss China sein Aufholtempo bei der Erforschung und Anwendung neuer Produkte beschleunigen.

l Der Branche mangelt es an führenden Großunternehmen .

In unserem Land gibt es über 300 Unternehmen, die sich mit elektronischer Keramik befassen, aber die Mehrheit sind kleine und mittlere Kleinstunternehmen (ca. 70 %), deren Produkte relativ eintönig sind, die Produktionskosten hoch sind und es ihnen an Marktwettbewerbsfähigkeit mangelt. Darüber hinaus mangelt es im Forschungs- und Entwicklungsprozess an unabhängiger Innovation; Die Einführung eines Laissez-faire-Entwicklungsansatzes hat zu Überkapazitäten in der Produktproduktion geführt. So kam es in den letzten Jahren zu einem Überangebot an Schaumkeramik und keramischen Schneidwerkzeugen, was dazu führte, dass einige kleine und mittlere Unternehmen ums Überleben kämpften und sogar in die Pleite gingen.

5. Globale Wettbewerbslandschaft der elektronischen Keramik ​

Derzeit wird der globale Markt für elektronische Keramik hauptsächlich von ausländischen Herstellern elektronischer Keramik dominiert.

Aus der Perspektive der technologischen Innovation werden die wichtigsten Kernvorbereitungstechnologien für elektronische Keramikmaterialien wie fortschrittliches Bandgießen, Mehrschicht-Co-Firing und Präzisionsmikrobearbeitung für Komponenten wie SAW-Filter, LTCC-Module und piezoelektrische Wandler immer noch von Herstellern aus Europa, den Vereinigten Staaten, Japan und Südkorea kontrolliert. Gemessen am Marktanteil produzieren japanische Unternehmen die meisten Arten elektronischer Keramik, verfügen über die beste Gesamtleistung, die breitesten Anwendungsbereiche und die größte Produktion. Sie haben einen bedeutenden Vorsprung auf dem globalen Markt für elektronische Keramik (ca. 50 % des Marktanteils); Die Vereinigten Staaten haben einen etwas langsameren Entwicklungsprozess für die elektronische Keramikindustrie und machen etwa 30 % des weltweiten Marktanteils für elektronische Keramik aus und liegen damit an zweiter Stelle. Die Europäische Union legt größeren Wert auf die Entwicklung energiesparender und umweltfreundlicher elektronischer Keramikmaterialien für Anwendungen in Festoxidbrennstoffzellen, Wärmedämmschichten und biokeramischen Sensoren und ihr Anteil an elektronischen Keramiken beträgt etwa 10 % des Weltmarktanteils.

Die elektronische Keramikindustrie in unserem Land begann relativ spät und weist immer noch einen erheblichen Rückstand im Vergleich zu wirtschaftlich entwickelten Ländern wie den Vereinigten Staaten und Japan auf. Bei der Forschung und Entwicklung elektronischer Keramik liegt noch ein weiter Weg vor uns.

6. Vorschläge zur Förderung der Entwicklung der elektronischen Keramikindustrie ​

(1) Stärkung der nationalen politischen Unterstützung. Die Kerntechnologien der Unternehmen der chinesischen Elektrokeramikindustrie sind hauptsächlich von Importen abhängig und es mangelt ihnen an bestimmten unabhängigen Innovationsfähigkeiten. Dies wird unweigerlich die Entwicklung von Unternehmen einschränken und es schwierig machen, ihre Wettbewerbsfähigkeit auf dem Produktmarkt zu verbessern. Daher sollte China die politische Unterstützung für die Entwicklung elektronischer Keramik weiter verstärken, die Attraktivität des inländischen Kapitals steigern, die Unterstützung für Forschungs- und Entwicklungsfonds erhöhen, chinesische Marken pflegen, die Strategie großer Unternehmen umsetzen und das Wachstum und die Expansion inländischer Unternehmen fördern.

(2) Stärkung der Grundlagenforschung und Innovation, Steigerung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit, Steigerung der Investitionen in Forscher und Fonds, allgemeine Stärkung der Forschungs- und Entwicklungskapazitäten, Stärkung des direkten Kontakts und der Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Forschungseinheiten, Schaffung eines umfassenden Forschungs- und Entwicklungsgremiums auf der Grundlage der Forschung zu neuen Materialien und mit einem starken Hintergrund und Forschungskompetenz in der Geräteanwendungsforschung mit Schwerpunkt auf Bereichen wie Dünnschicht-Ferroelektrika, Mikrowellenkeramik mit hohem Q und flexiblen piezoelektrischen Verbundwerkstoffen; einen wirksamen Mechanismus etablieren, der Errungenschaften schnell und effektiv umwandeln und die Kombination der Zusammenarbeit zwischen „Industrie, Universität und Forschung“ gezielt verwirklichen kann.

(3) Koordinierung der Planung vor- und nachgelagerter Unternehmen in der Industriekette für elektronische Keramikmaterialien und -komponenten, die von dielektrischen Pulvern und Ferritkernen bis hin zu fortschrittlichen Substraten und integrierten Funktionsmodulen reicht, Stärkung der Rohstoffversorgungskette, um die Versorgung mit hochreinen und hochstabilen elektronischen Keramikvorläufern wie Bariumtitanat, Zinkoxid und Bleizirkonat-Titanat-Alternativen sicherzustellen, energische Forschung und Entwicklung von High-End-Prozessausrüstung für Feinstrukturierung und Präzision Sintern und automatisierte Montage stärken unabhängige Innovationen bei passiven Komponenten wie Chip-Induktivitäten, EMI-Unterdrückungsfiltern und temperaturkompensierten Quarzoszillatoren sowie dem gesamten Gerätedesign und stärken die Erstellung relevanter Standards.