Domov > Zdroje > Blogy > Proč je keramická deska plošných spojů první volbou pro vysoce výkonná elektronická zařízení?

Proč je keramická deska plošných spojů první volbou pro vysoce výkonná elektronická zařízení?

2024-09-06Zpravodaj: SprintPCB

Keramické desky plošných spojů, známé také jako keramické substráty nebo desky s keramickým povlakem, se liší od tradičních desek plošných spojů vyrobených z organických materiálů, jako jsou sklolaminát a epoxidová pryskyřice. Keramické desky plošných spojů se vyrábějí lepením měděné fólie přímo na substrát vyrobený z keramických materiálů, jako je oxid hlinitý (Al₂O₃), nitrid hliníku (AlN) nebo jiné, a to procesem zvaným Direct Bonded Copper (DBC). Tento proces spékání za vysoké teploty spojuje měděnou fólii s keramickým substrátem a vytváří desku s vynikající elektrickou izolací a tepelnou vodivostí. Keramické desky plošných spojů lze leptat stejně jako tradiční desky plošných spojů a vytvářet tak složité obvodové vzory s dobrou vodivostí proudu, což je činí ideálními pro vysoce výkonné elektronické aplikace.

Běžné keramické substrátové materiály

Výkon keramických desek plošných spojů do značné míry závisí na použitém materiálu substrátu. Různé keramické materiály nabízejí odlišné vlastnosti, pokud jde o tepelné, elektrické a mechanické vlastnosti. Níže jsou uvedeny podrobné popisy některých běžných materiálů keramických substrátů:

Oxid hlinitý (Al₂O₃)

Oxid hlinitý je nejčastěji používaným keramickým substrátovým materiálem díky své dobré tepelné vodivosti, mechanické pevnosti a elektrickým izolačním vlastnostem. Díky své hojné dostupnosti a mírné ceně se široce používá ve výkonové elektronice, chlazení LED a mikrovlnné komunikaci. Keramika z oxidu hlinitého je k dispozici v různých jakostech podle čistoty (čistota 75 %, 96 % a 99,5 %). Zatímco kolísání obsahu oxidu hlinitého významně neovlivňuje jeho elektrické vlastnosti, výrazně ovlivňuje jeho mechanický výkon a tepelnou vodivost. Substráty z vysoce čistého oxidu hlinitého jsou hustší, mají nižší dielektrické ztráty a lepší hladký povrch, což je činí vhodnými pro aplikace s vyššími nároky. Tepelná vodivost oxidu hlinitého se obvykle pohybuje v rozmezí od 18 do 36 W/(m·K) a jeho koeficient tepelné roztažnosti (CTE) je mezi 4,5 a 10,9 x 10⁻⁶/K, což ho činí kompatibilním s běžnými polovodičovými materiály. Ve srovnání s jinými keramickými materiály s vysokou tepelnou vodivostí je však jeho schopnost odvádět teplo relativně nižší, což omezuje jeho použití v aplikacích vyžadujících extrémní tepelný výkon.

Nitrid hliníku (AlN)

Nitrid hliníku nabízí mnohem vyšší tepelnou vodivost než oxid hlinitý, obvykle v rozmezí od 80 do 200 W/(m·K) při pokojové teplotě a může dosáhnout až 300 W/(m·K). Jeho součinitel tepelné roztažnosti se velmi podobá křemíku, což z něj činí ideální substrát pro výkonové polovodičové součástky. V aplikacích s vysokou hustotou výkonu nízká dielektrická konstanta AlN a vynikající schopnosti tepelného řízení výrazně zlepšují spolehlivost a výkon součástek. Vysoké výrobní náklady AlN však omezují jeho použití v oblastech citlivých na náklady.

Oxid berylia (BeO)

Oxid berylia je výjimečný keramický materiál s vysokou tepelnou vodivostí, jehož tepelná vodivost překonává většinu kovů a dosahuje 330 W/(m·K). Je ideální pro aplikace s extrémně vysokou hustotou výkonu. Vzhledem k jeho toxicitě jsou však během výroby a používání vyžadována přísná bezpečnostní opatření, což omezuje jeho rozsah použití.

Klíčové rozdíly mezi keramickými deskami plošných spojů a tradičními deskami plošných spojů

Rozdíl materiálu:

Keramické desky plošných spojů: Vyrobeny z keramických materiálů, jako je oxid hlinitý, nitrid hlinitý nebo oxid berylia, které nabízejí vynikající tepelnou vodivost, odolnost vůči vysokým teplotám a elektrickou izolaci. Tradiční desky plošných spojů: Vyrobeny z organických materiálů, jako je epoxid vyztužený skleněnými vlákny (FR-4) nebo polyimid, s nižší tepelnou vodivostí a tepelnou odolností, vhodné pro běžné elektronické výrobky.

Tepelný management:

Keramické desky plošných spojů: Vysoká tepelná vodivost, vhodné pro vysoce výkonná elektronická zařízení, umožňující rychlý odvod tepla a zabraňující přehřátí. Tradiční desky plošných spojů: Špatná tepelná vodivost, často vyžadující další chladiče nebo tepelné materiály pro odvod tepla, zejména ve vysoce výkonných aplikacích.

Mechanická pevnost a trvanlivost:

Keramické desky plošných spojů: Vysoká pevnost, tvrdost a odolnost proti korozi, díky čemuž jsou vhodné pro náročná prostředí, jako jsou vysoké teploty, vysoké tlaky a chemicky korozivní podmínky. Tradiční desky plošných spojů: Nižší mechanická pevnost, náchylnost k poškození vlhkostí, chemickou korozí a kolísáním teplot.

Elektrická izolace:

Keramické desky plošných spojů: Vynikající elektrická izolace, obzvláště vhodné pro aplikace s vysokým napětím. Tradiční desky plošných spojů: Slabší izolační vlastnosti, které se mohou zhoršovat s rostoucí teplotou.

Aplikace:

Keramické desky plošných spojů: Používají se především v aplikacích vyžadujících vysokou tepelnou vodivost, odolnost vůči vysokým teplotám, vysokou proudovou hustotu a vysokou spolehlivost, jako je výkonová elektronika, RF obvody, LED osvětlení a letecký průmysl. Tradiční desky plošných spojů: Široce se používají ve spotřební elektronice, komunikačních zařízeních, automobilové elektronice atd. díky svým nižším nákladům a širokému využití.

Složitost výroby:

Keramické desky plošných spojů: Složité výrobní procesy, zejména vysokoteplotní lepení měděné fólie na keramické substráty (např. procesy DBC nebo LTCC/HTCC), což zvyšuje náklady. Tradiční desky plošných spojů: Zralejší a jednodušší výrobní procesy, zejména pro desky plošných spojů FR-4, s nižšími náklady.

Keramické desky plošných spojů vs. hliníkové desky plošných spojů

1. Rozdíly v tepelné vodivosti:

Hliník je dobrý vodič tepla s tepelnou vodivostí až 237 W/(m·K). U hliníkových desek plošných spojů však izolační vrstva mezi hliníkovou základnou a vrstvou obvodu výrazně snižuje odvod tepla, což se stává úzkým hrdlem v tepelném řízení systému.

2. Elektrická izolace a strukturální pevnost:

Hliník je vodič, takže hliníkové desky plošných spojů (PCB) musí mezi obvodem a hliníkovou základnou používat elektrickou izolační vrstvu, aby se zabránilo zkratům. Tato konstrukce není ideální pro vedení tepla. Naopak keramické materiály mají vynikající elektrickou izolaci, což eliminuje potřebu dalších izolačních vrstev. To umožňuje keramickým deskám plošných spojů efektivně odvádět teplo a udržovat stabilní elektrický výkon ve vysokonapěťových a vysokoteplotních aplikacích. Například oxid hlinitý i nitrid hliníku mají vysoké průrazné napětí, což je činí ideálními pro vysoce výkonná zařízení.

3. Rozsah provozních teplot:

Keramické desky plošných spojů (PCB) nabízejí ve srovnání s hliníkovými deskami plošných spojů vynikající tepelnou odolnost. Většina hliníkových desek plošných spojů funguje efektivně v teplotním rozsahu -40 °C až 150 °C, ale keramické desky plošných spojů vydrží teploty až 350 °C, což je činí vhodnými pro prostředí s vysokými teplotami, jako jsou výkonová zařízení, řídicí systémy motorů a LED světla, která generují vysoké teplo.

4. Výrobní náklady:

Hliníkové desky plošných spojů (PCB) jsou relativně levné na výrobu díky své jednoduché struktuře a široké dostupnosti hliníku jako materiálu. Naproti tomu keramické desky plošných spojů, zejména ty vyrobené z nitridu hliníku a oxidu berylia, mají vyšší výrobní náklady kvůli složitějším výrobním procesům a dražším surovinám. V aplikacích, které vyžadují lepší tepelný management a elektrickou izolaci, je však vyšší cena keramických desek plošných spojů často ospravedlněna jejich výkonnostními výhodami.

Výhody keramických desek plošných spojů

Vynikající odvod tepla:

Vysoká tepelná vodivost keramických materiálů zajišťuje rychlý odvod tepla generovaného vysoce výkonnými součástkami, čímž se zabraňuje přehřátí a zajišťuje stabilní provoz zařízení.

Vysoká elektrická izolace:

Keramické substráty nabízejí vynikající elektrickou izolaci, a to i při vysokém napětí, což je činí ideálními pro aplikace vyžadující vysoký výkon a spolehlivost, jako je výkonová elektronika, RF obvody a zdravotnické prostředky.

Vysoká mechanická pevnost a trvanlivost:

Keramické desky plošných spojů (PCB) jsou vysoce odolné vůči fyzickému namáhání, korozi a drsným podmínkám prostředí, díky čemuž jsou odolné a spolehlivé v kritických aplikacích, jako je letecký průmysl a vojenská elektronika.

Zvýšená spolehlivost při vysokých teplotách:

Keramické desky plošných spojů mohou pracovat v extrémních teplotách bez snížení výkonu, což zajišťuje spolehlivý provoz ve vysokoteplotních prostředích, jako jsou průmyslová zařízení a automobilová elektronika. Keramická deska plošných spojů

Aplikace keramických desek plošných spojů

Výkonová elektronika:

Keramické desky plošných spojů (PCB) se široce používají v výkonových modulech a systémech řízení výkonu, protože díky svému vynikajícímu odvodu tepla a elektrické izolaci jsou ideální pro vysoce výkonná zařízení, jako jsou střídače, pohony motorů a napájecí zdroje.

VF a mikrovlnné obvody:

Nízké dielektrické ztráty keramických materiálů je činí ideálními pro vysokofrekvenční aplikace, jako jsou RF komunikační systémy, mikrovlnné obvody a radarová zařízení. Jejich schopnost udržovat integritu signálu při vysokých frekvencích je pro výkon klíčová.

LED osvětlení:

Keramické desky plošných spojů (PCB) se běžně používají v LED osvětlení, zejména ve vysoce výkonných LED diodách. Jejich vynikající odvod tepla zajišťuje efektivní provoz a dlouhou životnost LED diod.

Zdravotnické prostředky:

Díky své vysoké spolehlivosti, elektrické izolaci a tepelné odolnosti se keramické desky plošných spojů používají v lékařských zařízeních, která vyžadují stabilní výkon, jako jsou zobrazovací systémy a chirurgické nástroje.

Letecká a vojenská elektronika:

Keramické desky plošných spojů (PCB) se používají v náročných prostředích, jako je letecký a vojenský průmysl, kde jsou spolehlivost, odolnost a vysoký výkon zásadní. Tyto aplikace často vyžadují materiály, které odolávají extrémním teplotám a mechanickému namáhání. Keramické desky plošných spojů mají oproti tradičním a hliníkovým deskám plošných spojů jasné výhody, zejména pokud jde o tepelný management, elektrickou izolaci a mechanickou pevnost. Jsou preferovanou volbou ve vysoce výkonných, vysokofrekvenčních a vysokoteplotních aplikacích, jako je výkonová elektronika, vysokofrekvenční obvody a LED osvětlení. Přestože keramické desky plošných spojů mají vyšší výrobní náklady, jejich vynikající výkon v kritických aplikacích z nich činí cennou investici pro odvětví vyžadující spolehlivá a dlouhotrvající elektronická řešení. Společnost SprintPCB má rozsáhlé zkušenosti s výrobou keramických desek plošných spojů a je schopna dodávat vysoce kvalitní produkty, které splňují požadavky těchto náročných aplikací. Díky pokročilým výrobním procesům a přísné kontrole kvality se společnost SprintPCB zavázala poskytovat zákazníkům prémiová keramická řešení s deskami plošných spojů a zajišťovat stabilitu a spolehlivost produktů.