แผงวงจรพิมพ์เซรามิก: ข้อได้เปรียบในการกระจายความร้อนที่เหนือกว่าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง

เมื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ผลักดันไปสู่ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น และปัจจัยรูปแบบที่เล็กลง การจัดการความร้อนได้กลายเป็นโจทย์ที่สําคัญที่สุดในการออกแบบ PCBFR-4 แบบดั้งเดิม และแม้กระทั่ง PCB หัวเหล็ก (MCPCBs) ก็มักจะพยายามที่จะระบายพลังงานความร้อนที่เกิดจากองค์ประกอบที่ทันสมัย เช่น LED พลังงานสูงและนี่คือจุดที่ PCBs ของเซรามิคส่องแสงด้วยค่าการนําไฟฟ้าที่สูงกว่าวัสดุประจําวัน 10-100 เท่าสับสราตเซรามิกนําเสนอวิธีแก้ปัญหาในการจัดการความร้อน, ทําให้สามารถทํางานได้อย่างน่าเชื่อถือในแอพพลิเคชั่นที่การอุ่นเกินจะทําให้การทํางานเสื่อมสภาพ หรือย่ออายุการใช้งาน
คู่มือนี้สืบค้นวิธีการ PCBs เซรามิคบรรลุการระบายความร้อนที่ดีกว่า เปรียบเทียบผลงานของพวกเขากับพื้นฐานอื่น ๆและยกย่องอุตสาหกรรมที่ได้รับประโยชน์มากที่สุดจากคุณสมบัติพิเศษของพวกเขา.

เหตุ ใด การ ขยาย ความ ร้อน จึง เป็น เรื่อง สําคัญ ใน อิเล็กทรอนิกส์ ใหม่ ๆ
ความร้อนเป็นศัตรูของความน่าเชื่อถือของอิเล็กทรอนิกส์
1การทําลายองค์ประกอบ: วงจรประสาทครึ่ง, LED และตัวประกอบความเข้มข้นมีอายุการใช้งานที่ลดลงเมื่อใช้งานมากกว่าอุณหภูมิที่กําหนดไว้การเพิ่มอุณหภูมิจุดเชื่อม 10 องศาเซลเซียส สามารถลดอายุการใช้งานของ LED ลงถึง 50%.
2การสูญเสียผลงาน: อุปกรณ์ที่มีพลังงานสูง เช่น MOSFETs และตัวควบคุมแรงดันมีความต้านทานเพิ่มขึ้นและมีประสิทธิภาพลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น
3ความเสี่ยงต่อความปลอดภัย: ความร้อนที่ไม่ถูกควบคุม อาจทําให้ความร้อนหลบหนี ความเสี่ยงจากการเผาไหม้ หรือเสียหายต่อส่วนประกอบที่อยู่รอบ ๆ
ในแอพลิเคชั่นพลังงานสูง เช่น อินเวอร์เตอร์รถไฟฟ้า (EV) เครื่องขับเคลื่อนมอเตอร์อุตสาหกรรม และสถานีฐาน 5G การระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพไม่ใช่เพียงการพิจารณาการออกแบบมันเป็นความจําเป็นที่สําคัญ.

วิธีที่ PCBs เซรามิก ทําให้ความร้อนระบายได้ดีขึ้น
PCB เซรามิก ใช้วัสดุเซรามิกไม่อารักกฤษเป็นพื้นฐานแทนวัสดุอารักกฤษแบบดั้งเดิม เช่น FR-4 epoxy ผลงานทางความร้อนที่โดดเด่นของพวกเขามาจากคุณสมบัติสําคัญสามอย่าง:
1. การนําไฟฟ้าสูง
ความสามารถในการนําความร้อน (วัดใน W / m · K) อธิบายความสามารถของวัสดุในการถ่ายทอดความร้อน. ผืนดินเซรามิกมีประสิทธิภาพมากกว่าวัสดุ PCB อื่น ๆ:

อาลูมิเนียมไนทรีด (AlN) และซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เซรามิก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง, โลหะคู่แข่งเช่นอลูมิเนียม (205 W / m · K) ในความสามารถในการนําความร้อน, ทําให้ความร้อนกระจายออกไปอย่างรวดเร็วจากองค์ประกอบร้อน.

2การขยายความร้อนต่ํา (CTE)
คออฟเซนเตอร์การขยายความร้อน (CTE) วัดขนาดที่วัสดุขยายเมื่อร้อนสับสราทเซรามิกมีค่า CTE ที่ตรงกับค่าของทองแดง (17 ppm/°C) และวัสดุครึ่งนํา เช่นซิลิคอน (3 ppm/°C). วิธีนี้ทําให้ความเครียดทางความร้อนระหว่างชั้นลดลงอย่างน้อย ป้องกันการล้างแผ่น และรับประกันความน่าเชื่อถือในระยะยาว แม้กระทั่งในช่วงการหมุนเวียนทางความร้อนซ้ํา ๆ
ตัวอย่างเช่น เซรามิกอัลลูมินามี CTE ของ 7 8 ppm / ° C, ใกล้เคียงกับทองแดงมากกว่า FR-4 (16 20 ppm / ° C) ความเข้ากันนี้ลดความเสี่ยงของการเหนื่อยเหนื่อยของข้อผสมในอุปกรณ์พลังงานสูง

3. การกันไฟฟ้า
ไม่เหมือนกับ PCB ที่มีแกนโลหะ ซึ่งต้องใช้ชั้นแบบดิจิเล็คตริก เพื่อแยกรอยทองแดงจากสับสราทโลหะ เซรามิกมีประสิทธิภาพแยกไฟฟ้าโดยธรรมชาติ (ความต้านทานของปริมาณ > 1014 Ω · cm)วิธีนี้จะกําจัดอุปกรณ์ป้องกันความร้อนที่เกิดจากวัสดุ dielectric, ทําให้มีการถ่ายทอดความร้อนโดยตรงจากรอยทองแดงไปยังสับสราทเซรามิก

กระบวนการผลิต PCB เซรามิก
PCBs เซรามิกถูกผลิตโดยใช้เทคนิคเฉพาะเจาะจงในการเชื่อมทองแดงกับพื้นฐานเซรามิก แต่ละชิ้นมีข้อดีที่เป็นเอกลักษณ์:
1. ทองแดงผูกตรง (DBC)
กระบวนการ: โฟลยทองแดงถูกผูกกับเซรามิกในอุณหภูมิสูง (1,065-1,083 องศาเซลเซียส) ในบรรยากาศที่ควบคุมทองแดงปฏิกิริยากับออกซิเจน เพื่อสร้างชั้นอ๊อกไซด์ทองแดงบาง ที่หลอมเข้ากับพื้นผิวเซรามิก.
ข้อดี: สร้างพันธะที่แข็งแกร่งและไม่มีความว่าง ด้วยความสามารถในการนําความร้อนที่ดีที่สุด (ไม่มีชั้นติดต่อระหว่าง)
ที่ดีที่สุดสําหรับ: การผลิตปริมาณสูงของ PCB อลูมิเนียและ AlN สําหรับอิเล็กทรอนิกส์พลังงาน

2. การผสมโลหะที่ทํางาน
กระบวนการ: สายสลัด (เช่น ทองแดง-เงิน-ไทเทเนียม) ถูกนําไปใช้ระหว่างทองแดงและเซรามิก, จากนั้นทําความร้อนถึง 800 ∼ 900 ° C. ไทเทเนียมในสายสลัดปฏิกิริยากับเซรามิก, สร้างพันธะที่แข็งแรง.
ข้อดี: ใช้งานกับเซรามิกที่หลากหลาย (รวม SiC) และอนุญาตให้มีชั้นทองแดงหนากว่า (สูงถึง 1 มม.) สําหรับการใช้งานในระดับความแรงสูง
ที่ดีที่สุดสําหรับ: PCB ที่มีพลังงานสูงในด้านอากาศและการป้องกัน

3เทคโนโลยีหนังหนา
กระบวนการ: พาสต์ที่นําไฟ (เงิน, ทองแดง) ได้ถูกพิมพ์บนพื้นดินเซรามิกและเผาในอุณหภูมิ 850 ∼ 950 °C เพื่อสร้างร่องรอยที่นําไฟ
ข้อดี: ทําให้การออกแบบที่ซับซ้อนและมีความหนาแน่นสูงมีขนาดลักษณะที่ละเอียด (50-100μm เส้น/ช่องว่าง)
ที่ดีที่สุดสําหรับ: PCB เซ็นเซอร์, ส่วนประกอบไมโครเวฟ, และโมดูลพลังงานขนาดเล็ก

ข้อดีสําคัญของ PCB เซรามิก นอกเหนือจากการระบายความร้อน
ขณะที่การระบายความร้อนเป็นความแข็งแรงหลักของ PCBs เซรามิก มีข้อดีเพิ่มเติมที่ทําให้มันจําเป็นในการใช้งานที่ต้องการ:
1ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง
เซรามิกรักษาความสมบูรณ์แบบทางโครงสร้างในอุณหภูมิสุดขั้ว (สูงสุด 1,000 ° C สําหรับอะลูมิเนีย) มากกว่าขีดจํากัดของ FR-4 (130 ~ 170 ° C) หรือแม้กระทั่งพลาสติก Tg สูง (200 ~ 250 ° C).ทําให้มันเหมาะสมสําหรับ:
อิเล็กทรอนิกส์รถยนต์ใต้หมวก (150 °C+)
เตาอบและเตาอบอุตสาหกรรม
ระบบติดตามเครื่องบินอวกาศ

2ความทนทานต่อสารเคมีและการกัดกร่อน
เซรามิกเป็นสภาพอ่อนต่อสารเคมี, สารละลาย และความชื้นส่วนใหญ่, ทําให้มีผลดีกว่าสารสับสราตอินทรีย์ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง. ความทนทานนี้มีความสําคัญสําหรับ:
อิเล็กทรอนิกส์ทางทะเล (การเผชิญกับน้ําเกลือ)
อุปกรณ์แปรรูปสารเคมี
อุปกรณ์การแพทย์ที่ต้องการการกําจัดโรค (อัตโนมัติ, ก๊าซ EtO)

3การทํางานของไฟฟ้าที่ความถี่สูง
สับสราตเซรามิกมีค่าคงที่แบบดิจิเล็คตริกต่ํา (Dk = 8 ราคา 10 สําหรับอะลูมิเนีย, 8 ราคา 9 สําหรับ AlN) และปริมาณการสูญเสียต่ํา (Df < 0.001), ลดการสูญเสียสัญญาณให้น้อยที่สุดในการใช้งานความถี่สูง (> 10 GHz)ทําให้มันเหนือกว่า FR-4 (Dk = 4.2448, Df = 0.02) สําหรับ:
โมดูล RF 5G และ 6G
ระบบราดาร์
อุปกรณ์สื่อสารไมโครเวฟ

4ความแข็งแรงทางกล
เซรามิกมีความแข็งแรงและมีความมั่นคงในมิติ ทนต่อการบิดเบือนภายใต้ความเครียดทางอุณหภูมิหรือทางกล ความมั่นคงนี้รับประกันความถูกต้องขององค์ประกอบใน:
ระบบออทติก (เลเซอร์ไดโอเดส, เครื่องรับสัญญาณไฟเบอร์ออทติก)
เซนเซอร์แม่นยําสูง

การใช้งานที่ได้รับประโยชน์มากที่สุดจาก PCBs เซรามิก
PCB เซรามิกดีเด่นในการใช้งานที่ความร้อน ความน่าเชื่อถือ หรือความทนทานต่อสิ่งแวดล้อมเป็นสิ่งสําคัญ:
1อิเล็กทรอนิกส์พลังงาน
อินเวอร์เตอร์และเครื่องแปลง EV: เปลี่ยนพลังงานแบตเตอรี่ DC เป็น AC สําหรับมอเตอร์, สร้างความร้อนที่สําคัญ (100 500W)ทําให้มีขนาดเล็ก, การออกแบบที่ประสิทธิภาพมากขึ้น
อินเวอร์เตอร์พลังแสงอาทิตย์: รับมือกับกระแสไฟฟ้าสูง (50-100A) ด้วยการสูญเสียพลังงานอย่างน้อยการปรับปรุงประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ขึ้น 1 ٪ 2%.

2. ระบบ LED และระบบแสง
ไลด์ประสิทธิภาพสูง (> 100W): ไฟโฟลท์สนามกีฬา ไฟไฟฟ้าโรงงานอุตสาหกรรมสูง และระบบการรักษา UV สร้างความร้อนที่เข้มข้น พีซีบีเซรามิกอัลลูมิเนียรักษาอุณหภูมิการเชื่อม < 100 ° Cขยายอายุการใช้งาน LED ถึง 100มากกว่า 1,000 ชั่วโมง
ไฟหน้ารถยนต์: ทนกับอุณหภูมิภายใต้กระโปรงและการสั่นสะเทือน PCB เซรามิกรับประกันผลงานที่คงที่ในทั้งระบบแทนฮาโลเจนและระบบ LED แมตริกซ์ที่ก้าวหน้า

3การบินและอวกาศและการป้องกัน
โมดูลราดาร์: ใช้งานในความถี่สูง (28 ̊40 กิโลกรัม) ด้วยความอดทนที่แน่น. PCB เซรามิค SiC รักษาความสมบูรณ์แบบของสัญญาณในขณะที่ระบายความร้อนจากเครื่องเสริมพลังงานสูง
ระบบกํากับกระสุน: ทนกับอุณหภูมิสูงสุด (-55 ° C ถึง 150 ° C) และแรงกระแทกทางกล PCB เซรามิครับประกันความน่าเชื่อถือในการใช้งานที่สําคัญ

4อุปกรณ์การแพทย์
อุปกรณ์บําบัดด้วยเลเซอร์: เลเซอร์ประสิทธิภาพสูง (50 200W) ต้องการการจัดการความร้อนที่แม่นยําเพื่อรักษาความมั่นคงของรังสี PCB เซรามิคป้องกันการอุ่นเกินในอุปกรณ์มือจับ.
อุปกรณ์ที่สามารถฝังได้: แม้จะไม่ใช้โดยตรงในอุปกรณ์ฝัง, PCBs เซรามิกในโมดูลพลังงานภายนอก (เช่นสําหรับเครื่องกําหนดหัวใจ) ให้ความเข้ากันได้ทางชีวภาพและความน่าเชื่อถือในระยะยาว.

การ พิจารณา ค่าใช้จ่าย: เมื่อ เลือก PCB เซรามิก
PCB เซรามิก ราคาแพงกว่าพื้นฐานแบบดั้งเดิม โดยมีค่าใช้จ่ายที่แตกต่างกันไปตามวัสดุและวิธีการผลิต

ขณะที่นี้แสดงให้เห็นถึงค่าธรรมเนียม 5 × 10 มากกว่า FR-4 และ 2 × 3 มากกว่า MCPCBs ค่าใช้จ่ายรวมในการครอบครองมักอ้างอิงการลงทุนในแอพลิเคชั่นที่มีความน่าเชื่อถือสูง

ตัวอย่างเช่น
a.ลดอัตราการล้มเหลวส่วนประกอบ ค่ารับประกันและค่าเปลี่ยนที่ต่ํากว่า
b.ตัวประกอบรูปแบบที่เล็กกว่า (ทําให้การระบายความร้อนที่ดีกว่า) ลดต้นทุนระบบโดยรวม
c.การปรับปรุงประสิทธิภาพในระบบพลังงาน ลดการบริโภคพลังงานตลอดวงจรชีวิตของสินค้า

แนวโน้มในอนาคตในเทคโนโลยี PCB เซรามิก
ความก้าวหน้าในวัสดุและการผลิตกําลังขยายความสามารถและความคุ้มค่าของ PCB เซรามิก:
1สับสราทบางกว่า: เซรามิกหนา 50-100μm ทําให้ PCB เซรามิกยืดหยุ่นสําหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใส่และพื้นผิวโค้ง
2การออกแบบแบบไฮบริด การรวมเซรามิกกับแกนโลหะหรือโพลีไมด์ยืดหยุ่นสร้าง PCB ที่สมดุลการทํางานทางความร้อนกับค่าใช้จ่ายและความยืดหยุ่น
4การพิมพ์ 3D: การผลิตโครงสร้างเซรามิกแบบเพิ่มเติมทําให้มีหน่วยระบายความร้อนที่ซับซ้อนและเฉพาะการใช้งานที่บูรณาการโดยตรงกับ PCB
5ค่าใช้จ่ายที่ต่ํากว่า AlN: เทคนิคการซินเตอร์ใหม่ลดต้นทุนการผลิตอะลูมิเนียมไนไตรได ทําให้มันสามารถแข่งขันกับอะลูมิเนียมสําหรับการใช้งานขนาดกลาง

FAQ
คําถาม: PCBs ของเซรามิกมันแตกง่ายไหม?
ตอบ: ครับ เซรามิค เป็นของหักหัก แต่การออกแบบที่เหมาะสม (เช่น การหลีกเลี่ยงมุมคม การใช้พื้นฐานที่หนากว่าสําหรับการสนับสนุนทางกล) จะลดความเสี่ยงของการแตกให้น้อยที่สุดเทคนิค การ ผลิต ที่ มี ความ พัฒนาการ ยัง ปรับปรุง ความ แข็งแรง, โดยมีคอมพอยต์เซรามิกบางชนิดที่มีความทนต่อการกระแทกที่เทียบเท่า FR-4

Q: PCBs เซรามิกสามารถใช้กับการผสมแบบไร้鉛ได้หรือไม่?
ตอบ: อย่างแน่นอน สับสราทเซรามิกทนอุณหภูมิที่สูงกว่า (260 ~ 280 ° C) ที่จําเป็นสําหรับการผสมแบบไม่มีหมู ทําให้มันเข้ากับการผลิตที่สอดคล้องกับ RoHS

Q: ความหนาของทองแดงสูงสุดบน PCB เซรามิกคืออะไร?
ตอบ: โดยใช้เทคโนโลยี AMB สามารถเชื่อมผิวทองแดงความหนาถึง 1 มม. กับเซรามิก ทําให้เหมาะสําหรับการใช้งานกระแสไฟฟ้าสูง (100A+) โดยกระบวนการ DBC มาตรฐานรองรับทองแดง 35μm

คําถาม: PCBs เซรามิกทํางานอย่างไรในสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนสูง?
A: PCBs เซรามิกที่มีการติดตั้งที่เหมาะสม (ตัวอย่างเช่น, โดยใช้ถุงกันแรงกระแทก) ทํางานได้ดีในการทดสอบการสั่นสะเทือน (ถึง 20G), ตอบสนองมาตรฐานรถยนต์และอากาศ.CTE ต่ําของพวกมัน ลดความเหนื่อยของข้อผสมผสมเมื่อเทียบกับ FR-4.

ถาม: มีตัวเลือก PCB เซรามิคที่มิตรต่อสิ่งแวดล้อมไหม?
ตอบ: ครับ เซรามิกหลายอย่าง (อลูมินา, AlN) เป็นของไร้สรรพคุณและสามารถนําไปใช้ใหม่ได้ และผู้ผลิตกําลังพัฒนาพาสต์ที่ใช้น้ําในการแปรรูปหนังหนา เพื่อลดการใช้สารเคมี

สรุป
PCBs เซรามิก เป็นมาตรฐานทองสําหรับการระบายความร้อนในอิเล็กทรอนิกส์พลังงานสูงและความน่าเชื่อถือที่พื้นฐานแบบดั้งเดิมไม่สามารถเทียบได้ขณะที่ค่าใช้จ่ายที่สูงกว่าจะจํากัดการนํามาใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ผู้บริโภคพลังงานต่ํา แต่ข้อดีในการทํางานของพวกเขาทําให้พวกเขาจําเป็นในแอพลิเคชั่นที่การจัดการความร้อนมีผลกระทบต่อความปลอดภัยโดยตรงประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน
ในขณะที่อิเล็กทรอนิกส์ยังคงลดตัวและต้องการพลังงานมากขึ้น PCBs เซรามิคจะเล่นบทบาทที่สําคัญมากขึ้นในการเปิดโอกาสสําหรับเทคโนโลยีรุ่นต่อไป.สําหรับวิศวกรและผู้ผลิต การเข้าใจความสามารถของพวกเขา เป็นสิ่งสําคัญในการเปิดเผยนวัตกรรมในการจัดการความร้อนและความน่าเชื่อถือ
หลักข้อสรุป: PCBs เซรามิก ไม่เพียงแต่เป็นทางเลือกที่ดีต่อพื้นฐานทางประเพณีพวกเขาเป็นเทคโนโลยีที่เปลี่ยนแปลง ที่แก้ปัญหาการระบายความร้อนที่ท้าทายที่สุด ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่, ทําให้อุปกรณ์ขนาดเล็ก แรงกว่า และใช้ได้นานกว่า