Hem > Resurser > Bloggar > Varför är keramiska kretskort förstahandsvalet för högpresterande elektroniska enheter?

Varför är keramiska kretskort förstahandsvalet för högpresterande elektroniska enheter?

2024-09-06Reporter: SprintPCB

Keramiska kretskort, även kända som keramiska substrat eller keramiskt belagda kort, skiljer sig från traditionella kretskort gjorda av organiska material som glasfiber och epoxiharts. Keramiska kretskort tillverkas genom att binda kopparfolie direkt på ett substrat tillverkat av keramiska material som aluminiumoxid (Al₂O₃), aluminiumnitrid (AlN) eller andra genom en process som kallas direktbunden koppar (DBC). Denna högtemperatursintringsprocess smälter samman kopparfolien med det keramiska substratet, vilket skapar ett kort med utmärkt elektrisk isolering och värmeledningsförmåga. Keramiska kretskort kan etsas som traditionella kretskort för att bilda komplexa kretsmönster med god strömförande förmåga, vilket gör dem idealiska för högeffektselektroniska applikationer.

Vanliga keramiska substratmaterial

Prestandan hos keramiska kretskort beror till stor del på vilket substratmaterial som används. Olika keramiska material erbjuder olika egenskaper vad gäller termiska, elektriska och mekaniska egenskaper. Nedan följer detaljerade beskrivningar av några vanliga keramiska substratmaterial:

Aluminiumoxid (Al₂O₃)

Aluminiumoxid är det vanligaste keramiska substratmaterialet på grund av dess goda värmeledningsförmåga, mekaniska hållfasthet och elektriska isoleringsegenskaper. Det används ofta inom kraftelektronik, LED-kylning och mikrovågskommunikation på grund av dess rikliga tillgänglighet och måttliga kostnad. Aluminiumoxidkeramik finns i olika kvaliteter baserat på renhet (75 %, 96 % och 99,5 % renhet). Även om variationen i aluminiumoxidinnehåll inte signifikant påverkar dess elektriska egenskaper, påverkar det i hög grad dess mekaniska prestanda och värmeledningsförmåga. Högrena aluminiumoxidsubstrat är tätare, har lägre dielektriska förluster och bättre ytjämnhet, vilket gör dem lämpliga för tillämpningar med högre efterfrågan. Aluminiumoxidens värmeledningsförmåga varierar vanligtvis från 18 till 36 W/(m·K), och dess värmeutvidgningskoefficient (CTE) är mellan 4,5 och 10,9 x 10⁻⁶/K, vilket gör den kompatibel med vanliga halvledarmaterial. Jämfört med andra keramiska material med hög värmeledningsförmåga är dess värmeavledningsförmåga dock relativt lägre, vilket begränsar dess användning i tillämpningar som kräver extrem termisk prestanda.

Aluminiumnitrid (AlN)

Aluminiumnitrid erbjuder mycket högre värmeledningsförmåga än aluminiumoxid, vanligtvis mellan 80 och 200 W/(m·K) vid rumstemperatur, och kan nå upp till 300 W/(m·K). Dess värmeledningsförmåga (CTE) liknar kisel, vilket gör det till ett idealiskt substrat för krafthalvledarkomponenter. I tillämpningar med hög effektdensitet förbättrar AlN:s låga dielektriska konstant och överlägsna värmehanteringsfunktioner avsevärt komponenternas tillförlitlighet och prestanda. Den höga tillverkningskostnaden för AlN begränsar dock dess användning i kostnadskänsliga områden.

Berylliumoxid (BeO)

Berylliumoxid är ett keramiskt material med exceptionell hög värmeledningsförmåga, med en värmeledningsförmåga som överträffar de flesta metaller och når 330 W/(m·K). Det är idealiskt för tillämpningar med extremt hög effektdensitet. På grund av dess toxicitet krävs dock strikta säkerhetsåtgärder under tillverkning och användning, vilket begränsar dess användningsområde.

Viktiga skillnader mellan keramiska kretskort och traditionella kretskort

Materialskillnad:

Keramiska kretskort: Tillverkade av keramiska material som aluminiumoxid, aluminiumnitrid eller berylliumoxid, vilka erbjuder överlägsen värmeledningsförmåga, högtemperaturbeständighet och elektrisk isolering. Traditionella kretskort: Tillverkade av organiska material som glasfiberförstärkt epoxi (FR-4) eller polyimid, med lägre värmeledningsförmåga och värmebeständighet, lämpliga för allmänna elektroniska produkter.

Termisk hantering:

Keramiska kretskort: Hög värmeledningsförmåga, lämpliga för högeffektselektroniska apparater, vilket möjliggör snabb värmeavledning för att förhindra överhettning. Traditionella kretskort: Dålig värmeledningsförmåga, kräver ofta ytterligare kylflänsar eller termiska material för värmehantering, särskilt i högeffektsapplikationer.

Mekanisk styrka och hållbarhet:

Keramiska kretskort: Hög hållfasthet, hårdhet och korrosionsbeständighet, vilket gör dem lämpliga för tuffa miljöer, såsom hög temperatur, högt tryck och kemiskt korrosiva förhållanden. Traditionella kretskort: Lägre mekanisk hållfasthet, benägna att skadas av fukt, kemisk korrosion och temperaturfluktuationer.

Elektrisk isolering:

Keramiska kretskort: Utmärkt elektrisk isolering, särskilt lämplig för högspänningstillämpningar. Traditionella kretskort: Svagare isoleringsegenskaper, som kan försämras när temperaturen ökar.

Användningsområden:

Keramiska kretskort: Används främst i applikationer som kräver hög värmeledningsförmåga, hög temperaturbeständighet, hög strömtäthet och hög tillförlitlighet, såsom kraftelektronik, RF-kretsar, LED-belysning och flyg- och rymdteknik. Traditionella kretskort: Används i stor utsträckning inom konsumentelektronik, kommunikationsenheter, fordonselektronik etc. på grund av deras låga kostnad och breda tillämpbarhet.

Tillverkningskomplexitet:

Keramiska kretskort: Komplexa tillverkningsprocesser, särskilt högtemperaturbindning av kopparfolie till keramiska substrat (t.ex. DBC- eller LTCC/HTCC-processer), vilket ökar kostnaderna. Traditionella kretskort: Mer mogna och enklare tillverkningsprocesser, särskilt för FR-4-kretskort, med lägre kostnader.

Keramiska kretskort kontra aluminiumkretskort

1. Skillnader i värmeledningsförmåga:

Aluminium är en bra värmeledare med en värmeledningsförmåga på upp till 237 W/(m·K). I aluminium-kretskort minskar dock ett isolerande lager mellan aluminiumbasen och kretslagret värmeavledningen avsevärt, vilket blir en flaskhals i systemets värmehantering.

2. Elektrisk isolering och strukturell styrka:

Aluminium är en ledare, så aluminium-PCB måste använda ett elektriskt isolerande lager mellan kretsen och aluminiumbasen för att undvika kortslutningar. Denna design är inte idealisk för värmeledning. Omvänt har keramiska material utmärkt elektrisk isolering, vilket eliminerar behovet av ytterligare isoleringslager. Detta gör att keramiska kretskort effektivt kan avleda värme och bibehålla stabil elektrisk prestanda i högspännings- och högtemperaturapplikationer. Till exempel har både aluminiumoxid och aluminiumnitrid höga genombrottsspänningar, vilket gör dem idealiska för högeffektsutrustning.

3. Driftstemperaturområde:

Keramiska kretskort erbjuder överlägsen värmebeständighet jämfört med aluminiumkretskort. De flesta aluminiumkretskort fungerar effektivt inom ett temperaturområde på -40 °C till 150 °C, men keramiska kretskort kan tåla temperaturer så höga som 350 °C, vilket gör dem lämpliga för högtemperaturmiljöer, såsom kraftenheter, motorstyrsystem och LED-lampor som genererar hög värme.

4. Produktionskostnad:

Aluminium-kretskort är relativt billiga att tillverka på grund av sin enkla struktur och utbredda tillgänglighet av aluminium som material. Däremot har keramiska kretskort, särskilt de som är tillverkade av aluminiumnitrid och berylliumoxid, högre produktionskostnader på grund av sina mer komplexa tillverkningsprocesser och dyra råmaterial. Men i applikationer som kräver överlägsen värmehantering och elektrisk isolering motiveras ofta den högre kostnaden för keramiska kretskort av deras prestandafördelar.

Fördelar med keramiska kretskort

Utmärkt värmeavledning:

Den höga värmeledningsförmågan hos keramiska material säkerställer att värme som genereras av högpresterande komponenter snabbt kan avledas, vilket förhindrar överhettning och säkerställer stabil enhetsdrift.

Hög elektrisk isolering:

Keramiska substrat erbjuder utmärkt elektrisk isolering, även vid höga spänningar, vilket gör dem idealiska för tillämpningar som kräver hög effekt och tillförlitlighet, såsom kraftelektronik, RF-kretsar och medicintekniska produkter.

Hög mekanisk styrka och hållbarhet:

Keramiska kretskort är mycket motståndskraftiga mot fysisk stress, korrosion och hårda miljöförhållanden, vilket gör dem hållbara och tillförlitliga i kritiska tillämpningar som flyg- och rymdteknik och militär elektronik.

Förbättrad tillförlitlighet vid höga temperaturer:

Keramiska kretskort kan fungera i extrema temperaturer utan prestandaförsämring, vilket säkerställer tillförlitlig drift i högtemperaturmiljöer, såsom industriell utrustning och fordonselektronik. Keramiskt kretskort

Tillämpningar av keramiska PCB:er

Kraftelektronik:

Keramiska kretskort används ofta i kraftmoduler och kraftstyrningssystem, eftersom deras utmärkta värmeavledning och elektriska isolering gör dem idealiska för högeffektsenheter som växelriktare, motordrivningar och strömförsörjning.

RF- och mikrovågskretsar:

Den låga dielektriska förlusten hos keramiska material gör dem perfekta för högfrekventa tillämpningar, såsom RF-kommunikationssystem, mikrovågskretsar och radarutrustning. Deras förmåga att bibehålla signalintegritet vid höga frekvenser är avgörande för prestandan.

LED-belysning:

Keramiska kretskort används ofta i LED-belysningstillämpningar, särskilt högeffekts-LED. Deras överlägsna värmeavledning säkerställer att LED-lampor fungerar effektivt och har en lång livslängd.

Medicintekniska produkter:

På grund av sin höga tillförlitlighet, elektriska isolering och värmebeständighet används keramiska kretskort i medicintekniska produkter som kräver stabil prestanda, såsom avbildningssystem och kirurgiska instrument.

Flyg- och militärelektronik:

Keramiska kretskort används i tuffa miljöer, såsom flyg- och militära tillämpningar, där tillförlitlighet, hållbarhet och hög prestanda är avgörande. Dessa tillämpningar kräver ofta material som tål extrema temperaturer och mekanisk påfrestning. Keramiska kretskort har tydliga fördelar jämfört med traditionella kretskort och aluminiumkretskort, särskilt när det gäller värmehantering, elektrisk isolering och mekanisk hållfasthet. De är det föredragna valet i högeffekts-, högfrekventa och högtemperaturapplikationer, såsom kraftelektronik, RF-kretsar och LED-belysning. Även om keramiska kretskort har högre tillverkningskostnader, gör deras överlägsna prestanda i kritiska tillämpningar dem till en värdefull investering för industrier som kräver pålitliga och långvariga elektroniska lösningar. SprintPCB har lång erfarenhet av tillverkning av keramiska kretskort och kan leverera högkvalitativa produkter för att möta kraven i dessa utmanande tillämpningar. Genom avancerade tillverkningsprocesser och strikt kvalitetskontroll är SprintPCB engagerade i att förse kunderna med premium keramiska kretskortslösningar, vilket säkerställer produktstabilitet och tillförlitlighet.