Koti > Resurssit > Blogit > Miksi keraaminen piirilevy on ensisijainen valinta tehokkaisiin elektronisiin laitteisiin?

Miksi keraaminen piirilevy on ensisijainen valinta tehokkaisiin elektronisiin laitteisiin?

2024-09-06Reportteri: SprintPCB

Keraamiset piirilevyt, jotka tunnetaan myös keraamisina alustoina tai keraamipinnoitteina, eroavat perinteisistä orgaanisista materiaaleista, kuten lasikuidusta ja epoksihartsista, valmistetuista piirilevyistä. Keraamiset piirilevyt valmistetaan liimaamalla kuparifoliota suoraan keraamisista materiaaleista, kuten alumiinioksidista (Al₂O₃), alumiininitridistä (AlN) tai muista, valmistetulle alustalle Direct Bonded Copper (DBC) -nimisellä prosessilla. Tämä korkean lämpötilan sintrausprosessi sulattaa kuparifolion keraamiseen alustaan, jolloin syntyy levy, jolla on erinomainen sähköeristys ja lämmönjohtavuus. Keraamisia piirilevyjä voidaan syövyttää kuten perinteisiä piirilevyjä monimutkaisten piirikuvioiden muodostamiseksi, joilla on hyvät virranjohtavuusominaisuudet, mikä tekee niistä ihanteellisia suuritehoisiin elektroniikkasovelluksiin.

Yleiset keraamiset alustamateriaalit

Keraamisten piirilevyjen suorituskyky riippuu pitkälti käytetystä alustamateriaalista. Eri keraamisilla materiaaleilla on erilaiset ominaisuudet lämpö-, sähkö- ja mekaanisten ominaisuuksien suhteen. Alla on yksityiskohtaiset kuvaukset joistakin yleisistä keraamisista alustamateriaaleista:

Alumiinioksidi (Al₂O₃)

Alumiinioksidi on yleisimmin käytetty keraaminen substraattimateriaali hyvän lämmönjohtavuutensa, mekaanisen lujuutensa ja sähköeristysominaisuuksiensa ansiosta. Sitä käytetään laajalti tehoelektroniikassa, LED-jäähdytyksessä ja mikroaaltoviestinnässä runsaan saatavuuden ja kohtuullisen hinnan ansiosta. Alumiinioksidikeraamia on saatavana eri laatuina puhtauden perusteella (75 %, 96 % ja 99,5 %). Vaikka alumiinioksidipitoisuuden vaihtelu ei vaikuta merkittävästi sen sähköisiin ominaisuuksiin, se vaikuttaa suuresti sen mekaaniseen suorituskykyyn ja lämmönjohtavuuteen. Korkean puhtauden omaavat alumiinioksidisubstraatit ovat tiheämpiä, niillä on pienempi dielektrinen häviö ja parempi pinnan sileys, mikä tekee niistä sopivia vaativampiin sovelluksiin. Alumiinioksidin lämmönjohtavuus vaihtelee tyypillisesti välillä 18–36 W/(m·K) ja sen lämpölaajenemiskerroin (CTE) on välillä 4,5–10,9 x 10⁻⁶/K, mikä tekee siitä yhteensopivan yleisten puolijohdemateriaalien kanssa. Verrattuna muihin korkean lämmönjohtavuuden omaaviin keraamisiin materiaaleihin sen lämmönpoistokyky on kuitenkin suhteellisen alhainen, mikä rajoittaa sen käyttöä äärimmäistä lämpöominaisuuksia vaativissa sovelluksissa.

Alumiininitridi (AlN)

Alumiininitridillä on paljon parempi lämmönjohtavuus kuin alumiinioksidilla, tyypillisesti 80–200 W/(m·K) huoneenlämmössä ja jopa 300 W/(m·K). Sen CTE on lähellä piitä, mikä tekee siitä ihanteellisen substraatin tehopuolijohdelaitteille. Suuritehoisissa sovelluksissa AlN:n alhainen dielektrisyysvakio ja erinomaiset lämmönhallintaominaisuudet parantavat merkittävästi laitteiden luotettavuutta ja suorituskykyä. AlN:n korkeat valmistuskustannukset kuitenkin rajoittavat sen käyttöä kustannusherkillä alueilla.

Berylliumoksidi (BeO)

Berylliumoksidi on poikkeuksellisen korkean lämmönjohtavuuden omaava keraaminen materiaali, jonka lämmönjohtavuus ylittää useimpien metallien lämmönjohtavuuden ja saavuttaa 330 W/(m·K). Se sopii erinomaisesti erittäin suuren tehotiheyden sovelluksiin. Myrkyllisyytensä vuoksi valmistuksen ja käytön aikana vaaditaan kuitenkin tiukkoja turvatoimenpiteitä, mikä rajoittaa sen käyttöaluetta.

Keraamisten piirilevyjen ja perinteisten piirilevyjen keskeiset erot

Materiaalinen ero:

Keraamiset piirilevyt: Valmistettu keraamisista materiaaleista, kuten alumiinioksidista, alumiininitridistä tai berylliumoksidista, joilla on erinomainen lämmönjohtavuus, korkeiden lämpötilojen kestävyys ja sähköeristys. Perinteiset piirilevyt: Valmistettu orgaanisista materiaaleista, kuten lasikuitulujitetusta epoksista (FR-4) tai polyimidistä, joilla on alhaisempi lämmönjohtavuus ja lämmönkestävyys, ja jotka sopivat yleisiin elektroniikkatuotteisiin.

Lämmönhallinta:

Keraamiset piirilevyt: Korkea lämmönjohtavuus, sopii suuritehoisille elektronisille laitteille, mahdollistaa nopean lämmönpoiston ja estää ylikuumenemisen. Perinteiset piirilevyt: Huono lämmönjohtavuus, vaatii usein lisäjäähdytyselementtejä tai lämpömateriaaleja lämmönhallintaan, erityisesti suuritehoisissa sovelluksissa.

Mekaaninen lujuus ja kestävyys:

Keraamiset piirilevyt: Korkea lujuus, kovuus ja korroosionkestävyys tekevät niistä sopivia vaativiin ympäristöihin, kuten korkeisiin lämpötiloihin, korkeaan paineeseen ja kemiallisesti syövyttäviin olosuhteisiin. Perinteiset piirilevyt: Alhaisempi mekaaninen lujuus, alttiimpia kosteuden, kemiallisen korroosion ja lämpötilan vaihteluiden aiheuttamille vaurioille.

Sähköeristys:

Keraamiset piirilevyt: Erinomainen sähköeristys, sopii erityisesti korkeajännitesovelluksiin. Perinteiset piirilevyt: Heikompi eristysominaisuudet, jotka voivat heikentyä lämpötilan noustessa.

Sovellukset:

Keraamiset piirilevyt: Käytetään pääasiassa sovelluksissa, jotka vaativat hyvää lämmönjohtavuutta, korkeiden lämpötilojen kestävyyttä, suurta virrantiheyttä ja korkeaa luotettavuutta, kuten tehoelektroniikassa, RF-piireissä, LED-valaistuksessa ja ilmailu- ja avaruustekniikassa. Perinteiset piirilevyt: Käytetään laajalti kulutuselektroniikassa, viestintälaitteissa, autoelektroniikassa jne. niiden alhaisempien kustannusten ja laajan sovellettavuuden vuoksi.

Valmistuksen monimutkaisuus:

Keraamiset piirilevyt: Monimutkaiset valmistusprosessit, erityisesti kuparifolion liimaaminen keraamisiin alustoihin korkeassa lämpötilassa (esim. DBC- tai LTCC/HTCC-prosessit), mikä lisää kustannuksia. Perinteiset piirilevyt: Kypsämmät ja yksinkertaisemmat valmistusprosessit, erityisesti FR-4-piirilevyille, ja alhaisemmat kustannukset.

Keraamiset piirilevyt vs. alumiiniset piirilevyt

1. Lämmönjohtavuuden erot:

Alumiini on hyvä lämmönjohdin, ja sen lämmönjohtavuus on jopa 237 W/(m·K). Alumiinisissa piirilevyissä alumiinipohjan ja piirikerroksen välissä oleva eristävä kerros vähentää kuitenkin huomattavasti lämmönhukkaisuutta, mikä muodostaa pullonkaulan järjestelmän lämmönhallinnassa.

2. Sähköeristys ja rakenteellinen lujuus:

Alumiini on johde, joten alumiinisten piirilevyjen on käytettävä sähköeristyskerrosta piirin ja alumiinipohjan välissä oikosulkujen välttämiseksi. Tämä rakenne ei ole ihanteellinen lämmönjohtavuuden kannalta. Toisaalta keraamisilla materiaaleilla on erinomainen sähköeristys, mikä poistaa tarpeen lisäeristyskerroksille. Tämä mahdollistaa keraamisten piirilevyjen tehokkaan lämmön haihduttamisen ja vakaan sähköisen suorituskyvyn ylläpitämisen korkeajännitteisissä ja korkean lämpötilan sovelluksissa. Esimerkiksi sekä alumiinioksidilla että alumiininitridillä on korkeat läpilyöntijännitteet, mikä tekee niistä ihanteellisia suuritehoisille laitteille.

3. Käyttölämpötila-alue:

Keraamiset piirilevyt tarjoavat alumiinisiin piirilevyihin verrattuna paremman lämmönkestävyyden. Useimmat alumiiniset piirilevyt toimivat tehokkaasti lämpötila-alueella -40 °C - 150 °C, mutta keraamiset piirilevyt kestävät jopa 350 °C:n lämpötiloja, joten ne soveltuvat korkeisiin lämpötiloihin, kuten teholaitteisiin, moottorinohjausjärjestelmiin ja paljon lämpöä tuottaviin LED-valoihin.

4. Tuotantokustannukset:

Alumiinisten piirilevyjen valmistus on suhteellisen edullista niiden yksinkertaisen rakenteen ja alumiinin laajan saatavuuden ansiosta. Sitä vastoin keraamisten piirilevyjen, erityisesti alumiininitridistä ja berylliumoksidista valmistettujen, tuotantokustannukset ovat korkeammat monimutkaisempien valmistusprosessien ja kalliiden raaka-aineiden vuoksi. Sovelluksissa, jotka vaativat erinomaista lämmönhallintaa ja sähköeristystä, keraamisten piirilevyjen korkeammat kustannukset ovat usein perusteltuja niiden suorituskykyetujen vuoksi.

Keraamisten piirilevyjen edut

Erinomainen lämmönpoisto:

Keraamisten materiaalien korkea lämmönjohtavuus varmistaa, että suuritehoisten komponenttien tuottama lämpö voidaan poistaa nopeasti, mikä estää ylikuumenemisen ja varmistaa laitteen vakaan toiminnan.

Korkea sähköeristys:

Keraamiset alustat tarjoavat erinomaisen sähköeristyksen jopa korkeilla jännitteillä, mikä tekee niistä ihanteellisia sovelluksiin, jotka vaativat suurta tehoa ja luotettavuutta, kuten tehoelektroniikkaan, RF-piireihin ja lääkinnällisiin laitteisiin.

Korkea mekaaninen lujuus ja kestävyys:

Keraamiset piirilevyt kestävät erittäin hyvin fyysistä rasitusta, korroosiota ja ankaria ympäristöolosuhteita, mikä tekee niistä kestäviä ja luotettavia kriittisissä sovelluksissa, kuten ilmailu- ja avaruustekniikassa sekä sotilaselektroniikassa.

Parannettu luotettavuus korkeissa lämpötiloissa:

Keraamiset piirilevyt voivat toimia äärimmäisissä lämpötiloissa suorituskyvyn heikkenemättä, mikä varmistaa luotettavan toiminnan korkeissa lämpötiloissa, kuten teollisuuslaitteissa ja autoelektroniikassa. Keraaminen piirilevy

Keraamisten piirilevyjen sovellukset

Tehoelektroniikka:

Keraamisia piirilevyjä käytetään laajalti tehomoduuleissa ja tehonsäätöjärjestelmissä, koska niiden erinomainen lämmönhukka ja sähköeristys tekevät niistä ihanteellisia suuritehoisille laitteille, kuten inverttereille, moottorikäyttöisille laitteille ja virtalähteille.

RF- ja mikroaaltopiirit:

Keraamisten materiaalien pieni dielektrinen häviö tekee niistä täydellisiä korkeataajuisiin sovelluksiin, kuten radiotaajuustietoliikennejärjestelmiin, mikroaaltopiireihin ja tutkalaitteisiin. Niiden kyky ylläpitää signaalin eheyttä korkeilla taajuuksilla on ratkaisevan tärkeää suorituskyvyn kannalta.

LED-valaistus:

Keraamisia piirilevyjä käytetään yleisesti LED-valaistussovelluksissa, erityisesti suuritehoisissa LEDeissä. Niiden erinomainen lämmönhukka varmistaa LEDien tehokkaan toiminnan ja pitkän käyttöiän.

Lääkinnälliset laitteet:

Korkean luotettavuutensa, sähköeristyksensä ja lämmönkestävyytensä ansiosta keraamisia piirilevyjä käytetään lääkinnällisissä laitteissa, jotka vaativat vakaata suorituskykyä, kuten kuvantamisjärjestelmissä ja kirurgisissa instrumenteissa.

Ilmailu- ja sotilaselektroniikka:

Keraamisia piirilevyjä käytetään vaativissa ympäristöissä, kuten ilmailu- ja avaruustekniikassa ja sotilassovelluksissa, joissa luotettavuus, kestävyys ja korkea suorituskyky ovat kriittisiä. Näissä sovelluksissa vaaditaan usein materiaaleja, jotka kestävät äärimmäisiä lämpötiloja ja mekaanista rasitusta. Keraamisilla piirilevyillä on selkeitä etuja perinteisiin piirilevyihin ja alumiinisiin piirilevyihin verrattuna, erityisesti lämmönhallinnan, sähköeristyksen ja mekaanisen lujuuden suhteen. Ne ovat ensisijainen valinta suuritehoisissa, suurtaajuisissa ja korkeissa lämpötiloissa käytettävissä sovelluksissa, kuten tehoelektroniikassa, RF-piireissä ja LED-valaistuksessa. Vaikka keraamisten piirilevyjen valmistuskustannukset ovat korkeammat, niiden erinomainen suorituskyky kriittisissä sovelluksissa tekee niistä arvokkaan investoinnin teollisuudenaloille, jotka vaativat luotettavia ja pitkäikäisiä elektronisia ratkaisuja. SprintPCB:llä on laaja kokemus keraamisten piirilevyjen valmistuksesta , ja se pystyy toimittamaan korkealaatuisia tuotteita näiden haastavien sovellusten vaatimuksiin. Edistyneiden valmistusprosessien ja tiukan laadunvalvonnan avulla SprintPCB on sitoutunut tarjoamaan asiakkaille ensiluokkaisia keraamisia piirilevyratkaisuja varmistaen tuotteen vakauden ja luotettavuuden.