PCB เซรามิก: ข้อดี การผลิต และ การใช้ใน อิเล็กทรอนิกส์ อุณหภูมิสูง

พีซีบีเซรามิกได้ปรากฏขึ้นเป็นเกมส์เชนเจอร์ในอิเล็กทรอนิกส์และความสมบูรณ์แบบของสัญญาณ ที่สําคัญสําหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานมากในปัจจุบัน เช่น อินเวอร์เตอร์รถไฟฟ้า (EV), ไฟ LED และเซ็นเซอร์อากาศ ไม่เหมือนกับ PCB FR4 แบบดั้งเดิม ที่ใช้สารพื้นฐานอินทรีย์ PCB เซรามิคใช้วัสดุไม่อินทรีย์ เช่น อลูมิเนียม ไนทรีดอลูมิเนียม และซิลิคอนคาร์ไบด์ทําให้มันเหมาะสําหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง, ความชื้น และการเผชิญหน้ากับสารเคมีจะทําลายแผ่นมาตรฐาน

คู่มือนี้สํารวจคุณสมบัติพิเศษของ PCB เซรามิค กระบวนการผลิตของพวกเขา ข้อดีหลักเมื่อเทียบกับ PCB ปกติ และการใช้งานในโลกจริงไม่ว่าคุณจะออกแบบโมดูล LED ที่มีพลังงานสูง หรือส่วนประกอบเครื่องบินที่แข็งแรง, การเข้าใจ PCBs เซรามิคจะช่วยให้คุณเลือกพื้นฐานที่เหมาะสมสําหรับความต้องการการทํางานที่สูงสุด.

ประเด็นสําคัญ
1. PCBs เซรามิกใช้สารย่อยที่ไม่เป็นอินทรีย์ (อลูมินา, อลูมิเนียมไนไตรได) ที่มีความสามารถในการนําความร้อนสูงกว่า FR4 ถึง 10-100 เท่า ทําให้มันเหมาะสมสําหรับการใช้งานที่ใช้ความร้อนมาก
2พวกเขาทนต่ออุณหภูมิการทํางานต่อเนื่องถึง 250 °C (อัลลูมิเนีย) และ 300 °C (อะลูมิเนียมไนไตรได) ยิ่งเกินขีดจํากัด 130 °C ของ FR4
3PCBs เซรามิค ให้ความคุ้มกันไฟฟ้าที่ดีกว่า (ความแข็งแรง > 20kV / mm) และการสูญเสียสัญญาณต่ํา, สําคัญสําหรับการออกแบบความถี่สูง (5G, ราดาร์)
4ขณะที่แพงกว่า FR4 PCBs เซรามิก ลดต้นทุนระบบโดยการกําจัดการลดความร้อนและปรับปรุงอายุการใช้งานของส่วนประกอบในแอปพลิเคชั่นพลังงานสูง
5การใช้งานหลักประกอบด้วย อิเล็กทรอนิกส์พลังงาน EV, มอเตอร์อุตสาหกรรม, การถ่ายภาพทางการแพทย์, และระบบอากาศ

PCB เซรามิก คือ อะไร?
PCB เซรามิค เป็นบอร์ดวงจรที่มีพื้นฐานทําจากวัสดุเซรามิคที่ไม่เป็นอินทรีย์ ติดกับชั้นทองแดงที่นําไฟขณะที่ชั้นทองแดงเป็นรอยวงจรและแผ่นไม่เหมือนกับสารสับสราตอินทรีย์ (FR4, Polyimide) เซรามิกมีคุณสมบัติที่มั่นคงทางความร้อน, อ่อนแอทางเคมี, และกันไฟฟ้าที่ทําให้มันจําเป็นสําหรับอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพสูง

วัสดุพื้นฐานเซรามิกทั่วไป
PCBs เซรามิกถูกจัดลําดับตามวัสดุพื้นฐานของพวกมัน แต่ละชนิดมีคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ที่เหมาะสมกับการใช้งานเฉพาะเจาะจง

ความรู้สําคัญ: อลูมิเนียมไนไตรได (AlN) ประสบความสมดุลระหว่างผลงานทางความร้อนและราคา ทําให้มันเป็นทางเลือกที่นิยมที่สุดสําหรับอิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง เช่น อินเวอร์เตอร์การดึง EV

วิธีการทํางานของ PCB เซรามิก
พีซีบีเซรามิกดีเยี่ยมในแอพลิเคชั่นที่การจัดการความร้อนเป็นสิ่งสําคัญ นี่คือวิธีการที่พวกเขาทําผลงานได้ดีกว่าพีซีบีแบบดั้งเดิม

a. Thermal Pathway: สารสับสราทเซรามิกเป็นตัวนําความร้อนโดยตรง โดยส่งความร้อนจากองค์ประกอบ (เช่น MOSFETs,LEDs) ไปยังสภาพแวดล้อมหรือระบายความร้อน.
b.การกันไฟฟ้า: เซรามิกป้องกันการรั่วไหลของกระแสระหว่างรอย แม้กระทั่งในแรงดันสูง (สูงถึง 10kV) ทําให้มันปลอดภัยสําหรับอิเล็กทรอนิกส์พลังงาน
c. ความมั่นคงทางเครื่องจักร: มีสัมพันธ์การขยายความร้อนที่ต่ํา (CTE) ลดการบิดระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ, ลดความเครียดบนข้อต่อและส่วนประกอบของ solder

ข้อดีหลักของ PCB เซรามิก
PCBs เซรามิก มีข้อดีหลายอย่างที่ทําให้มันไม่มีตัวแทนในการใช้งานที่ต้องการ:
1การจัดการความร้อนที่สูงกว่า
ความร้อนเป็นศัตรูขององค์ประกอบอิเล็กทรอนิกส์ ความร้อนเกินจะลดอายุการใช้งานและผลงาน PCB เซรามิกแก้ปัญหานี้ด้วย:

a. ความสามารถในการนําความร้อนสูง: อลูมิเนีย (20 ราคา 30 W/m·K) สามารถนําความร้อนได้ดีขึ้น 50 เท่ากว่า FR4 (0.3 ราคา 0.5 W/m·K); AlN (180 ราคา 200 W/m·K) ทําได้ดีขึ้นอีกด้วยใกล้ความสามารถในการนําของโลหะ เช่นอลูมิเนียม (205 W/m·K).
b. การระบายความร้อนโดยตรง: ทองแดงส่องติดต่อโดยตรงกับเยื่อเซรามิก ทําให้กําจัดความต้านทานความร้อนของชั้น epoxy ใน FR4 PCBs

ตัวอย่าง: โมดูล LED 100W ที่ใช้ PCB อลูมิเนียทํางานเย็นกว่า 30 °C กว่าการออกแบบเดียวกันบน FR4, ขยายอายุการใช้งาน LED จาก 50k ถึง 100k ชั่วโมง

2ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง
PCBs เซรามิกเจริญเจริญในสภาพแวดล้อมร้อนที่พื้นฐานอินทรีย์ล้มเหลว

a.การทํางานต่อเนื่อง: PCBs อลูมิเนียทํางานอย่างน่าเชื่อถือที่ 250 °C; รุ่น AlN และ SiC จัดการ 300 °C + (ที่เหมาะสมสําหรับห้องเครื่องยนต์และเตาอุตสาหกรรม)
b.Thermal Cycling: รอดชีวิต 1,000+ วงจรระหว่าง -55 °C และ 250 °C โดยไม่ขาดแผ่น

Tข้อมูลการตรวจสอบ: PCB เซ็นเซอร์รถยนต์ที่ใช้ AlN ทนได้ 2,000 รอบของ -40 °C ถึง 150 °C (จําลองสภาพภายใต้โฮป) โดยไม่มีความล้มเหลวทางไฟฟ้า ในขณะที่ FR4 PCBs ประสบความล้มเหลวใน 200 รอบ

3คุณสมบัติไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม
สําหรับการออกแบบความถี่สูงและความดันสูง PCBs เซรามิคให้ผลงานที่ไม่มีคู่แข่ง:

a. การสูญเสียสัญญาณที่ต่ํา: เซรามิกมีการสูญเสียไฟฟ้าแบบลด (Df <0.001 สําหรับ AlN ที่ 1GHz) ลดการลดความอ่อนแอของสัญญาณในระบบ 5G และระบบราดาร์
b.ความหนาแน่นสูง: ความแข็งแรงของไฟฟ้า > 20kV/mm ป้องกันการบุกในแอปพลิเคชั่นความดันสูง เช่น ระบบบริหารแบตเตอรี่ EV (BMS)
c.Dk ที่มั่นคง: สถาน Dielectric (Dk) มีความแตกต่างกัน < 5% ระหว่างอุณหภูมิและความถี่ เพื่อให้ความต่อต้านที่คงที่ในการออกแบบความเร็วสูง

4ความต้านทานต่อสารเคมีและสิ่งแวดล้อม
PCB เซรามิกทนทานต่อการกัดกร่อน ความชื้น และสารเคมี

a. การดูดซึมความชื้น: <0.1% (เทียบกับ 0.5~0.8% สําหรับ FR4) ป้องกันการตัดสายสั้นในการใช้งานที่ชื้นหรือภายนอก
b. ความอ่อนแอทางเคมี: ไม่ถูกผลกระทบโดยน้ํามัน, สารละลายและกรด ทําให้มันเหมาะสมสําหรับอุตสาหกรรมและอิเล็กทรอนิกส์ทางทะเล
c. ความแข็งแรงต่อรังสี: PCB ซีซีเซรามิกทนต่อรังสีในสภาพแวดล้อมนิวเคลียร์และอากาศ ไม่เหมือนกับ FR4 ซึ่งลดลงภายใต้รังสีที่เป็นไอโอไนส์

กระบวนการผลิต PCB เซรามิก
PCBs เซรามิก จําเป็นต้องใช้เทคนิคการผลิตเฉพาะเพื่อเชื่อมทองแดงกับพื้นฐานเซรามิกที่แข็งแรงและเปราะบาง
1. ทองแดงผูกตรง (DBC)
DBC คือวิธีที่พบทั่วไปที่สุดสําหรับ PCB เซรามิคความแรงสูง:

a.กระบวนการ: โฟลย์ทองแดงบาง (0.1 ∼0.5 มม) ถูกผูกกับอะลูมินาหรือ AlN ที่ 1,065 ∼1,083 °C (จุดละลายทองแดง) อ๊อกซิเจนในเตาอบสร้างชั้นอ๊อกไซด์ทองแดงบางที่หลอมกับเซรามิก
ข้อดี: สร้างพันธะที่แข็งแกร่งและมีความต้านทานต่ํา ด้วยความสามารถในการนําความร้อนที่ดี
c. ข้อจํากัด: ใช้กับพื้นฐานเรียบเท่านั้น ไม่เหมาะสําหรับรูปร่างที่ซับซ้อน

2. การผสมโลหะที่ทํางาน
AMB ใช้สําหรับอุปกรณ์อุณหภูมิสูง ความน่าเชื่อถือสูง:

a.กระบวนการ: ทองแดงถูกเชื่อมต่อกับเซรามิคโดยใช้สับผสม (เช่น Ag-Cu-Ti) ในอุณหภูมิ 800-900 °C. ไทเทเนียมในสับผสมปฏิกิริยากับเซรามิค, สร้างพันธะเคมีที่แข็งแรง
ข้อดี: ทํางานกับ AlN และ SiC เซรามิก; รับมืออุณหภูมิที่สูงกว่า DBC
c. ข้อจํากัด: ราคาแพงกว่า DBC เนื่องจากวัสดุการผสม

3เทคโนโลยีหนังหนา
ใช้สําหรับ PCB เซรามิคราคาถูกและประสิทธิภาพต่ํา (เช่นเซ็นเซอร์)

a.กระบวนการ: ผสมทองแดง, เงิน, หรือทองถูกพิมพ์บนเซรามิก, จากนั้นเผาในอุณหภูมิ 800-1,000 °C เพื่อสร้างร่องรอยที่นําไฟ
ข้อดี: รองรับรูปแบบที่ซับซ้อนและหลายชั้น
c.ข้อจํากัด: ความสามารถในการนําไฟฟ้าที่ต่ํากว่า DBC/AMB; ร่องรอยหนากว่า (50-100μm) จํากัดผลงานความถี่สูง

4. การจัดสร้างโดยตรงด้วยเลเซอร์ (LDS)
สําหรับ PCB เซรามิก 3 มิติ (เช่นเซ็นเซอร์โค้ง)

a.กระบวนการ: เลเซอร์เปิดผิวเซรามิก, สร้างรูปแบบที่ดึงดูดโลหะ plating (ทองแดงหรือไนเคิล)
ข้อดี: สามารถออกแบบวงจร 3 มิติบนรูปร่างเซรามิกที่ซับซ้อน
c.ข้อจํากัด: ค่าอุปกรณ์สูง จํากัดชั้นทองแดงบาง

การใช้งานของ PCB เซรามิก
PCBs เซรามิก ใช้ในอุตสาหกรรมที่ผลประกอบการภายใต้ความเครียดไม่ต่อรองได้:
1รถไฟฟ้า (EV) และรถไฟฟ้าไฮบริด
Inverters การดึง: PCB เซรามิก AlN จัดการกระแสไฟฟ้า 800V / 500A ใน EV Inverters, ขจัดความร้อนจาก SiC MOSFETs โดยไม่ต้องมีหอบ
ระบบบริหารแบตเตอรี่ (BMS): PCBs อลูมิเนียติดตามความแรงดันและอุณหภูมิเซลล์ในแพ็คแบตเตอรี่, ทนกับการทํางานต่อเนื่อง 125 °C
โมดูลการชาร์จ: พีซีบีเซรามิกความดันสูงทําให้ระบบชาร์จเร็ว (350kW+) โดยการจัดการความหนาแน่นของพลังงานสูง

2อุตสาหกรรมและอิเล็กทรอนิกส์พลังงาน
เครื่องขับเคลื่อนมอเตอร์: PCBs เซรามิกควบคุมมอเตอร์อุตสาหกรรม (100kW +) ทนความร้อนของเครื่องขับเคลื่อนความถี่แปร (VFDs)
อินเวอร์เตอร์แสงอาทิตย์: เปลี่ยน DC จากแผ่นแสงอาทิตย์เป็น AC โดยใช้ AlN PCB เพื่อจัดการอุณหภูมิรอบตัว 60 °C+
อุปกรณ์ปั่น: รับมือกับกระแสไฟฟ้าสูง (100A+) และกระแสไฟฟ้าสูงในเครื่องปั่นวงโค้ง, ที่ FR4 จะลดลง

3. เทคโนโลยีไฟฟ้าและจอ LED
ไลด์พลังงานสูง: พีซีบีอัลลูมิเนียในไฟฟ้าถนนและแสงสเตเดียม dissipate ความร้อนจาก 100W + LEDs ป้องกันการลดค่าแสง
UV LEDs: PCBs เซรามิกทนต่อการทําลาย UV ไม่เหมือนกับ FR4 ซึ่งจะเปราะบางตามเวลา

4การบินและอวกาศและการป้องกัน
เครื่องบิน: PCBs SiC เซรามิกในระบบราดาร์ทนความร้อน -55 °C ถึง 150 °C ในเครื่องบิน
การนําร่องกระสุน: PCBs เซรามิคที่แข็งแรงต่อรังสี สามารถรอดชีวิตได้ในสภาพที่รุนแรงของการเข้าสู่และการต่อสู้

5อุปกรณ์การแพทย์
อุปกรณ์ถ่ายภาพ: เครื่อง X-ray และ MRI ใช้ PCB เซรามิก เพื่อความทนทานต่อรังสีและความมั่นคงทางความร้อน
อุปกรณ์การรักษาด้วยเลเซอร์: ใช้ไดโอ้ดเลเซอร์พลังงานสูง (50W+) เพื่อรับรองการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยําระหว่างการรักษา

PCBs เซรามิก VS FR4: การเปรียบเทียบผลประกอบการ

การวิเคราะห์ค่าใช้จ่ายและผลประโยชน์: PCB เซรามิคสําหรับอินเวอร์เตอร์ EV ราคา $ 50 เทียบกับ $ 10 สําหรับ FR4 แต่กําจัดความจําเป็นของการล้างความร้อน $ 20 และลดการร้องเรียนการรับประกัน 70% ลงผลลัพธ์ในค่าใช้จ่ายระบบรวมที่ต่ํากว่า

คําถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับ PCB เซรามิก
Q1: PCBs เซรามิกมีความยืดหยุ่นหรือไม่?
ตอบ: PCB เซรามิคส่วนใหญ่แข็งแรง แต่เซรามิคที่ใช้ซิรคอนีอามีความยืดหยุ่นจํากัด (รัศมีโค้ง > 50 มม) สําหรับเซนเซอร์ที่ใส่และอุปกรณ์โค้ง

Q2: PCBs เซรามิก สามารถซ่อมแซมได้หรือไม่?
ตอบ: เซรามิค ไม่เปราะบาง และร่องรอยที่เสียหายหรือพื้นฐานไม่สามารถซ่อมแซมได้ง่าย ๆ ซึ่งทําให้การทดสอบอย่างเข้มงวดเป็นสิ่งสําคัญระหว่างการผลิต

Q3: ความกว้างของรอยขั้นต่ําสําหรับ PCB เซรามิกคืออะไร?
A: กระบวนการ DBC และ AMB รองรับร่องรอย 50μm, ในขณะที่เทคโนโลยีหนังหนาจํากัด 100μm + การสร้างแบบเลเซอร์สามารถบรรลุร่องรอย 25μm สําหรับการออกแบบความถี่สูง.

Q4: PCBs เซรามิกรับการสั่นสะเทือนได้อย่างไร?
ตอบ: ขณะที่เซรามิกมีความเปราะบาง แต่ CTE ที่ต่ําของมันลดความเครียดต่อต่อผ่า ทําให้มันทนต่อการสั่นสะเทือนมากกว่า FR4 ในสภาพแวดล้อมหมุนเวียนทางความร้อน (เช่นรถยนต์)

Q5: PCBs เซรามิกเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมหรือไม่?
ตอบ: ครับ เซรามิกเป็นของไร้สรรพคุณและสามารถนําไปใช้ใหม่ได้ และกระบวนการ DBC / AMB ใช้วัสดุที่เป็นพิษอย่างน้อย ไม่เหมือนกับธาตุ epoxy FR4 ครับ

สรุป
PCBs เซรามิก เป็นสิ่งจําเป็นสําหรับอิเล็กทรอนิกส์ที่ทํางานในสภาพที่รุนแรง จากเครื่องเปลี่ยน EV ไปยังเซ็นเซอร์อากาศและทนต่อความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อม ทําให้พวกเขาเป็นทางเลือกเดียวสําหรับพลังงานสูงการใช้งานที่มีความน่าเชื่อถือสูง

ขณะที่ PCB เซรามิคมีค่าใช้จ่ายสูงขึ้นในเบื้องต้น แต่ข้อดีในการทํางานของ PCB ช่วยลดค่าใช้จ่ายของระบบโดยการกําจัดการลดความร้อน, ขยายอายุการใช้งานของส่วนประกอบ และลดความล้มเหลวให้น้อยที่สุดเนื่องจากอุตสาหกรรม เช่น รถไฟฟ้าและพลังงานที่สามารถปรับปรุงได้ต้องการความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น, PCBs เซรามิค จะมีบทบาทที่สําคัญมากขึ้นในการทําให้เทคโนโลยีรุ่นต่อไป

สําหรับวิศวกรและผู้ผลิต การร่วมมือกับผู้เชี่ยวชาญ PCB เซรามิคAMB) เพื่อตอบสนองความต้องการการทํางานเฉพาะเจาะจงกับ PCBs เซรามิค อนาคตของอุณหภูมิสูง อิเล็กทรอนิกส์พลังงานสูง ไม่เพียงแค่เป็นไปได้