Главная > Ресурсы > Блоги > Почему керамическая печатная плата является лучшим выбором для высокопроизводительных электронных устройств?

Почему керамическая печатная плата является лучшим выбором для высокопроизводительных электронных устройств?

2024-09-06Репортер: SprintPCB

Керамические печатные платы, также известные как керамические подложки или платы с керамическим покрытием, отличаются от традиционных печатных плат из органических материалов, таких как стекловолокно и эпоксидная смола. Керамические печатные платы изготавливаются путём непосредственного приклеивания медной фольги к подложке из керамических материалов, таких как оксид алюминия (Al₂O₃), нитрид алюминия (AlN) и других, с помощью процесса, называемого прямым приклеиванием меди (DBC). Этот высокотемпературный процесс спекания сплавляет медную фольгу с керамической подложкой, создавая плату с превосходной электроизоляцией и теплопроводностью. Керамические печатные платы можно травить, как и обычные печатные платы, для формирования сложных схем с хорошей токопроводящей способностью, что делает их идеальными для применения в электронике высокой мощности.

Распространенные керамические материалы-подложки

Характеристики керамических печатных плат во многом зависят от используемого материала подложки. Различные керамические материалы обладают различными характеристиками с точки зрения тепловых, электрических и механических свойств. Ниже приведены подробные описания некоторых распространённых материалов для керамических подложек:

Оксид алюминия (Al₂O₃)

Оксид алюминия является наиболее часто используемым материалом керамической подложки благодаря своей хорошей теплопроводности, механической прочности и электроизоляционным свойствам. Он широко используется в силовой электронике, охлаждении светодиодов и микроволновой связи из-за своей широкой доступности и умеренной стоимости. Керамика из оксида алюминия доступна в различных классах в зависимости от чистоты (75%, 96% и 99,5%). Хотя изменение содержания оксида алюминия не оказывает существенного влияния на его электрические свойства, оно сильно влияет на его механические характеристики и теплопроводность. Подложки из высокочистого оксида алюминия более плотные, имеют меньшие диэлектрические потери и лучшую гладкость поверхности, что делает их подходящими для приложений с более высокими требованиями. Теплопроводность оксида алюминия обычно составляет от 18 до 36 Вт/(м·К), а его коэффициент теплового расширения (КТР) составляет от 4,5 до 10,9 x 10⁻⁶/К, что делает его совместимым с обычными полупроводниковыми материалами. Однако по сравнению с другими керамическими материалами с высокой теплопроводностью его возможности рассеивания тепла относительно ниже, что ограничивает его применение в приложениях, требующих экстремальных тепловых характеристик.

Нитрид алюминия (AlN)

Нитрид алюминия обладает значительно более высокой теплопроводностью, чем оксид алюминия, обычно от 80 до 200 Вт/(м·К) при комнатной температуре, и может достигать 300 Вт/(м·К). Его КТР практически соответствует кремнию, что делает его идеальной подложкой для силовых полупроводниковых приборов. В приложениях с высокой плотностью мощности низкая диэлектрическая проницаемость и превосходные возможности терморегулирования нитрида алюминия (AlN) значительно повышают надёжность и производительность устройств. Однако высокая стоимость производства AlN ограничивает его применение в областях, где стоимость имеет значение.

Оксид бериллия (BeO)

Оксид бериллия — керамический материал с исключительно высокой теплопроводностью, превосходящий большинство металлов и достигающий 330 Вт/(м·К). Он идеально подходит для приложений с экстремально высокой плотностью мощности. Однако из-за его токсичности при производстве и использовании требуются строгие меры безопасности, что ограничивает область его применения.

Ключевые различия между керамическими печатными платами и традиционными печатными платами

Существенная разница:

Керамические печатные платы: изготавливаются из керамических материалов, таких как оксид алюминия, нитрид алюминия или оксид бериллия, которые обеспечивают превосходную теплопроводность, термостойкость и электроизоляцию. Традиционные печатные платы: изготавливаются из органических материалов, таких как эпоксидная смола, армированная стекловолокном (FR-4), или полиимид, с более низкой теплопроводностью и термостойкостью, подходят для электронных изделий общего назначения.

Управление тепловым режимом:

Керамические печатные платы: высокая теплопроводность, подходят для мощных электронных устройств, обеспечивая быстрый отвод тепла и предотвращая перегрев. Традиционные печатные платы: низкая теплопроводность, часто требующая дополнительных радиаторов или тепловых материалов для отвода тепла, особенно в мощных устройствах.

Механическая прочность и долговечность:

Керамические печатные платы: высокая прочность, твёрдость и коррозионная стойкость, что делает их пригодными для эксплуатации в суровых условиях, таких как высокие температуры, высокое давление и химически агрессивная среда. Традиционные печатные платы: низкая механическая прочность, подвержены повреждениям от влаги, химической коррозии и перепадов температур.

Электроизоляция:

Керамические печатные платы: отличная электроизоляция, особенно подходит для высоковольтных применений. Традиционные печатные платы: менее эффективные изоляционные свойства, которые могут ухудшаться при повышении температуры.

Приложения:

Керамические печатные платы: в основном используются в приложениях, требующих высокой теплопроводности, стойкости к высоким температурам, высокой плотности тока и высокой надежности, таких как силовая электроника, радиочастотные схемы, светодиодное освещение и аэрокосмическая промышленность. Традиционные печатные платы: широко используются в бытовой электронике, устройствах связи, автомобильной электронике и т. д. благодаря своей низкой стоимости и широкой области применения.

Сложность производства:

Керамические печатные платы: Сложные производственные процессы, особенно высокотемпературное соединение медной фольги с керамическими подложками (например, процессы DBC или LTCC/HTCC), что увеличивает затраты. Традиционные печатные платы: Более отработанные и простые производственные процессы, особенно для печатных плат из FR-4, с более низкой стоимостью.

Керамические печатные платы против алюминиевых печатных плат

1. Различия в теплопроводности:

Алюминий хорошо проводит тепло, его теплопроводность достигает 237 Вт/(м·К). Однако в алюминиевых печатных платах изолирующий слой между алюминиевым основанием и слоем схемы значительно снижает теплоотдачу, становясь узким местом в системе терморегулирования.

2. Электроизоляция и прочность конструкции:

Алюминий является проводником, поэтому алюминиевые печатные платы должны использовать электроизоляционный слой между схемой и алюминиевым основанием для предотвращения коротких замыканий. Такая конструкция неидеальна с точки зрения теплопроводности. Керамические материалы, напротив, обладают превосходной электроизоляцией, что устраняет необходимость в дополнительных изоляционных слоях. Это позволяет керамическим печатным платам эффективно рассеивать тепло и поддерживать стабильные электрические характеристики в условиях высокого напряжения и высоких температур. Например, как оксид алюминия, так и нитрид алюминия имеют высокое пробивное напряжение, что делает их идеальными для использования в мощном оборудовании.

3. Диапазон рабочих температур:

Керамические печатные платы обладают превосходной термостойкостью по сравнению с алюминиевыми. Большинство алюминиевых печатных плат эффективно работают в диапазоне температур от -40°C до 150°C, но керамические печатные платы выдерживают температуру до 350°C, что делает их пригодными для использования в высокотемпературных средах, таких как силовые устройства, системы управления двигателями и светодиодные светильники, которые выделяют большое количество тепла.

4. Стоимость производства:

Алюминиевые печатные платы относительно недороги в производстве благодаря простой конструкции и широкой доступности алюминия. Керамические печатные платы, особенно из нитрида алюминия и оксида бериллия, имеют более высокую стоимость производства из-за более сложного процесса производства и дорогого сырья. Однако в приложениях, требующих превосходного терморегулирования и электроизоляции, более высокая стоимость керамических печатных плат часто оправдывается их превосходными эксплуатационными характеристиками.

Преимущества керамических печатных плат

Отличное рассеивание тепла:

Высокая теплопроводность керамических материалов обеспечивает быстрый отвод тепла, выделяемого мощными компонентами, что предотвращает перегрев и обеспечивает стабильную работу устройства.

Высокая электроизоляция:

Керамические подложки обеспечивают превосходную электроизоляцию даже при высоких напряжениях, что делает их идеальными для применений, требующих высокой мощности и надежности, таких как силовая электроника, радиочастотные схемы и медицинские приборы.

Высокая механическая прочность и долговечность:

Керамические печатные платы обладают высокой устойчивостью к физическим нагрузкам, коррозии и суровым условиям окружающей среды, что делает их долговечными и надежными в таких критически важных приложениях, как аэрокосмическая и военная электроника.

Повышенная надежность при высоких температурах:

Керамические печатные платы могут работать при экстремальных температурах без ухудшения производительности, обеспечивая надежную работу в высокотемпературных средах, например, в промышленном оборудовании и автомобильной электронике. Керамическая печатная плата

Применение керамических печатных плат

Силовая электроника:

Керамические печатные платы широко используются в силовых модулях и системах управления питанием, поскольку их превосходное рассеивание тепла и электроизоляция делают их идеальными для мощных устройств, таких как инверторы, электроприводы и блоки питания.

ВЧ и СВЧ цепи:

Низкие диэлектрические потери керамических материалов делают их идеальными для высокочастотных применений, таких как системы радиосвязи, микроволновые схемы и радиолокационное оборудование. Их способность сохранять целостность сигнала на высоких частотах имеет решающее значение для производительности.

Светодиодное освещение:

Керамические печатные платы широко используются в светодиодном освещении, особенно в мощных светодиодах. Превосходное рассеивание тепла обеспечивает эффективную работу светодиодов и длительный срок их службы.

Медицинские приборы:

Благодаря высокой надежности, электроизоляции и термостойкости керамические печатные платы используются в медицинских приборах, требующих стабильной работы, таких как системы визуализации и хирургические инструменты.

Аэрокосмическая и военная электроника:

Керамические печатные платы используются в суровых условиях, например, в аэрокосмической и военной промышленности, где надежность, долговечность и высокая производительность имеют решающее значение. В таких областях применения часто требуются материалы, способные выдерживать экстремальные температуры и механические нагрузки. Керамические печатные платы обладают явными преимуществами перед традиционными и алюминиевыми печатными платами, особенно в плане терморегулирования, электроизоляции и механической прочности. Они являются предпочтительным выбором для приложений с высокой мощностью, высокой частотой и высокой температурой, таких как силовая электроника, радиочастотные схемы и светодиодное освещение. Несмотря на более высокую стоимость производства керамических печатных плат, их превосходные характеристики в критически важных приложениях делают их ценным вложением для отраслей, которым требуются надежные и долговечные электронные решения. Компания SprintPCB обладает обширным опытом в производстве керамических печатных плат и способна поставлять высококачественную продукцию, отвечающую требованиям этих сложных приложений. Благодаря передовым производственным процессам и строгому контролю качества, SprintPCB стремится предоставлять клиентам высококачественные решения на основе керамических печатных плат, гарантируя стабильность и надежность продукции.