传承万年的陶瓷材料与现代智能手机的碰撞

传承万年的陶瓷材料与现代智能手机的碰撞

2021-11-08 11:50:59 0

(来源:中国粉体网)

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[导读]  陶瓷是中国的文化瑰宝,是华夏文明的重要组成部分。早在一万多年前的新石器时代,我国的先民就已经会制造和使用陶器。时光越万年,同样以实用之物出现的手机,也成为用户个人科技品味、审美的代表。如果将陶瓷呈现在手机上,将会碰撞出怎样的火花呢?

陶瓷是中国的文化瑰宝,是华夏文明的重要组成部分。早在一万多年前的新石器时代,我国的先民就已经会制造和使用陶器。


时光越万年,同样以实用之物出现的手机,也成为用户个人科技品味、审美的代表。如果将陶瓷呈现在手机上,将会碰撞出怎样的火花呢?


手机背板


目前手机背板材料主要为塑料、金属、玻璃和陶瓷。


塑料背板综合性能较好,但其耐磨性、散热性、体感较差,易老化,主要用于中低端手机。


金属背板具有抗摔、可塑性强、散热性好等优点,已成为主流手机的标配。随着5G网络、无线充电等时代的到来,智能手机对信号传输上要求越来越高,手机背板广泛使用的铝镁合金因其对信号屏蔽作用强,无法满足5G信号传输的要求,也不可进行无线充电,成为制约其发展的关键因素。


近几年,玻璃背板在智能手机中也得到较多应用,玻璃机身的优点主要在于避免手机信号的屏蔽、质感与手感较好,但因为玻璃是一类二氧化硅的非晶材料,所以容易破碎和产生划痕。全球最大的手机玻璃供应商美国康宁公司推出了第五代大猩猩玻璃,虽然其强度得到了提升,不过其硬度依然不如砂粒,容易产生划痕。此外,玻璃加工难度比金属大,特别是弧面和手机中框等加工工艺;同时钢化玻璃断裂易形成条纹状断裂纹路从而容易造成崩边。


陶瓷背板的抗弯强度、硬度、耐磨性、散热性等性能优于玻璃背板,而成为手机厂商实现手机材质差异化的重要选择。目前,用于制作手机背板的陶瓷材料为氧化锆、氧化铝、碳化硅等,其中氧化锆是手机背板中应用最为广泛的陶瓷材料。在相同强度下陶瓷背板比玻璃薄,可以减薄约40%,给手机结构设计留下更大的施展空间。此外,陶瓷背板表面可通过加工得到多种表面效果,如亮光、亚光、拉丝等机械纹理;表面还可以通过Laser、MCVN、PVD、丝印、喷漆以及边缘的C角、R角等工艺进行处理等。


小米MIX 4的一体式陶瓷背板(图片来源:小米官网)


指纹识别模组


指纹识别模组主要由金属环、盖板、传感器、驱动芯片、印刷电路板等部分组成。其中,指纹识别盖板是区别指纹识别好坏的重要指标,它既具有对传感器与驱动芯片的保护作用,又是决定指纹解锁速度的关键因素之一。


根据指纹识别盖板材料的不同,可分为蓝宝石、涂覆式、玻璃和陶瓷4种。


涂覆式成本低,但其涂层硬度较低,易磨损,使用寿命短,质感较差,整体美观性不强,主要应用于低端手机。


钢化玻璃具有成本低,制备工艺简单等优点,但其硬度较低,易磨损,介电常数和抗弯强度较差,目前最薄厚度仅为0.175mm,难以应用在中高端指纹识别领域。


蓝宝石硬度高,耐磨蚀,但其成本高,穿透性、断裂韧性较差,整体抗摔能力不强。


氧化锆陶瓷综合性能较好,其硬度高仅次于蓝宝石,韧性好(6MPa·m1/2),在同等厚度情况下,提高了盖板整体抗冲击抗摔能力。同时,其介电常数高(32~35),穿透能力强,识别灵敏、速度,是最合适的表面贴片材料之一。


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指纹识别模组盖板(图片来源:潮州三环官网)


微波介质陶瓷


微波介质陶瓷是5G移动通信技术中关键部件微波介质滤波器和谐振器的关键材料。所谓微波介质陶瓷,是一种介质材料,能够应用于300MHz~30GHz的微波频率电路,实现多种功能的陶瓷材料。从微波介电性能的角度考虑,移动通信用微波介质陶瓷要求材料具有中介电常数、高品质因数和近零的谐振频率温度系数。微波介质陶瓷材料包括的种类很丰富,主要有以下几种:


(1)BaO-TiO2系微波介质陶瓷。


BaO-TiO2系微波介质陶瓷的介电性能随着陶瓷中TiO2含量的改变而发生变化,尤其是BaTi4O9、Ba2Ti9O20这2种BaO-TiO2系微波介质陶瓷,由于其具有更加适合应用的微波介电性能,而备受从业者的喜爱。


(2)BaO-Ln2O3-TiO2系微波介质陶瓷。


这种微波介质陶瓷含有镧系元素La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd等,介电常数介于80~90 之间,能够应用于小型微波通信器件领域。


当镧系元素为La、Pr、Nd时,其温度系数为正;当镧系元素为Sm、Eu、Gd时,其温度系数为负,进而可以产生温度补偿效应。通过调整BaO-Ln2O3-TiO2系微波介质陶瓷的组分比例,就能制备得到频率温度系数为零的微波介质陶瓷。


目前,混合镧系组份为Ba-Nd-Sm-Ti的微波介质陶瓷比较流行,该种微波介质陶瓷的介电常数介于100~210之间,损耗较小,谐振频率和温度系数都较低。


(3)复合钙钛矿系微波介质陶瓷。


中介高Q微波陶瓷体系中MTiO3-LnAlO3具有优异的微波性能和钙钛矿结构的可调性,这类钙钛矿结构微波介质陶瓷具有中介电常数(45左右),品质因数Q×f高(40000 GHz左右),谐振频率温度系数可调等优点。


但其烧结温度在1500℃以上。这样使得能耗高,如果能够降低烧成温度,就可以降低烧成成本。而降低陶瓷烧结温度最常见一种方法即采用掺杂烧结助剂来实现,但这一方法会引入杂质,使得陶瓷性能的不可控因素增加。


(4)铅基钙钛矿系微波介质陶瓷。


铅基钙钛矿系微波介质陶瓷主要是指(Pb1-xCax)ZrO3系组成的微波介质陶瓷材料,并且其中ZrO3具有多种不同金属氧化物的其他表现形式。


手机按键


早在2007年传统的按键手机时代,西门子一款高端S68型号手机的侧面按键就采用了纳米氧化锆亚光陶瓷。


手机电池


电池的发展引人注目,而陶瓷材料是构成电池的重要材料之一。如固态锂陶瓷电池,又或者锂离子电池中的各种陶瓷隔膜材料。


多层陶瓷电容器


多层陶瓷电容器(MLCC)材料在5G技术支撑下飞速发展,已经成为电子设备中必不可少的零部件原材料。5G移动通信技术的发展,对多层陶瓷电容器材料的性能提出了更高、更严格的要求。多层陶瓷电容器材料将逐渐向高频化、低功耗、小型化和高储能密度技术方向发展,以迎接5G时代的到来。 


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多层片式陶瓷电容器(图片来源:潮州三环官网)


多层陶瓷电容器材料随着电子产品性能的提高,需要在容量和可靠性等方面具有更多的优势。并且,现今社会生活需要移动通信装置和电子设备的体积更小,相应地,多层陶瓷电容器材料也应更加轻薄,体积更小型化。


陶瓷封装基座


陶瓷封装基座(PKG)是由印刷有导电图形和冲制有电导通孔的陶瓷生片,按一定次序相互叠合并经过气氛保护烧结工艺加工后形成的一种三维互连结构。


其封装作用包括:一是为芯片提供安装平台,使之免受外来机械损伤并防止环境湿气、酸性气体对制作在芯片上的电极的腐蚀损害,满足气密性封装的要求;二是实现封装外壳的小型化、薄型化和可表面贴装化;三是通过基座上的金属焊区把芯片上的电极与电路板上的电极连接起来,实现内外电路的导通。


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陶瓷封装基座(图片来源:潮州三环官网)


结语


随着互联网时代的发展,手机已渗入到人们生产生活的方方面面,远超越了通讯本身,人们对手机外观与功能也不断进行着更深远的探索。陶瓷这种古老的材料异军突起,以微晶锆为代表的纳米陶瓷凭借其高超的性能与良好的质感逐渐进入手机材料市场。未来,将陶瓷应用于手机领域的大门已打开。


参考来源:

蓝海凤等.精细陶瓷在智能手机上的应用及其制备工艺

王海峰.新材料在5G通信领域中的应用及展望

谢志鹏等.智能终端陶瓷的发展与应用状况分析

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