Pernahkah Anda penasaran tentang bagaimana perangkat elektronik berdaya tinggi berfungsi dengan mudah dan tetap dingin? Misterinya mungkin terletak pada substrat keramik. Material yang biasa-biasa saja ini memberikan manajemen termal, isolasi listrik, dan kekokohan yang luar biasa yang membuatnya sangat diperlukan dalam segala hal mulai dari perangkat elektronik daya hingga lampu LED. Pahami bagaimana keramik mempercepat dan meningkatkan kinerja serta masa pakai perangkat dan bagaimana keramik mengubah teknologi yang digunakan dalam barang sehari-hari.
⇒ Daftar Periksa
-
Apa itu substrat keramik?
-
Bahan apa yang digunakan pada substrat keramik?
-
Aplikasi substrat keramik?
-
Keuntungan Substrat Keramik?
-
Keterbatasan Substrat Keramik?
1) Apa itu substrat keramik?
“Substrat keramik adalah apa yang Anda butuhkan saat bekerja dengan perangkat elektronik yang menghasilkan banyak panas - substrat ini memberikan ketahanan terhadap panas dan isolasi.”
Hal pertama yang perlu diperhatikan adalah bahwa substrat keramik berfungsi sebagai alas yang baik untuk perangkat elektronik karena kemampuannya menahan panas. Saat perangkat elektronik menjadi lebih panas, substrat keramik mentransfer dan memanfaatkan panas dengan baik, karena konduktivitas termalnya yang baik (beberapa bahkan mencapai 200 W/mK). Ini memastikan bahwa komponen Anda tidak terlalu panas dan berfungsi dengan baik.
Mereka juga memberikan isolasi yang baik, mencegah arus listrik mengalir melalui pangkalan dan menyebabkan korsleting. Mereka mungkin sedikit mahal tetapi mengingat kekuatan dan keandalannya, mereka dibutuhkan saat bahan standar tidak mencukupi, untuk menjaga pendinginan, stabilisasi, dan perlindungan semua komponen dalam perangkat elektronik Anda.
⇒ Ikhtisar Sejarah
Substrat keramik mulai digunakan sekitar pertengahan abad ke-20, dengan masukan signifikan dari ahli metalurgi Paul B. de Niverville yang pada tahun 1950-an telah memulai penggunaan substrat alumina (Al₂O₃) dalam aplikasi listrik.
Selama tahun 1960-an dan 1970-an, perluasan terjadi ketika Alfred L. Hazen dan peneliti lain meningkatkan penggunaan keramik dalam elektronika daya yang meningkatkan penggunaan bahan seperti alumina untuk mendapatkan sifat panas dan isolasi.
Pada tahun 1980-an, James E. Mayer dkk. memodifikasi substrat keramik aluminous nitride (AlN) secara signifikan karena konduktivitas termalnya yang baik. Pada tahun 90-an, keramik mulai digunakan dalam berbagai industri seperti otomotif, medis, dan telekomunikasi. Saat ini, keramik sangat penting dalam elektronika daya, lampu LED, dan mikroelektronika karena adanya peningkatan karakteristik material dan teknik fabrikasi.
2) Bahan yang digunakan pada substrat keramik?
Pada substrat keramik, pada dasarnya ada 4 jenis material yang digunakan;
-
Alumina (Al₂O₃)
-
Aluminium Nitrida (AlN)
-
Berilium Oksida (BeO)
-
Silikon Nitrida (Si₃N₄)
|
Alumina (Al₂O₃) |
Aluminium Nitrida (AlN) |
Berilium Oksida (BeO) |
Silikon Nitrida (Si₃N₄) |
|
|
Konduktivitas Termal |
20–30 W/mK |
170–200 W/mK |
200–300 W/mK |
30–150 W/mK |
|
Resistivitas Listrik |
~10¹²ohm·cm |
~10¹⁴ ohm·cm |
~10¹⁶ohm·cm |
~10¹⁶ohm·cm |
|
Tahan Suhu |
Hingga 1.600°C |
Hingga 1.800°C |
Hingga 2.000°C |
Hingga 1.400°C |
|
Kekuatan Mekanik |
Tinggi (350–400 MPa) |
Tinggi (200–300 MPa) |
Sangat Tinggi (600–700 MPa) |
Sangat Tinggi (900–1.000 MPa) |
|
Kekuatan Dielektrik |
~15–20kV/mm2 |
~10–12kV/mm2 |
~18–20kV/mm2 |
~15–18kV/mm2 |
|
Biaya |
Rendah |
Sedang |
Tinggi |
Sedang |
|
Ketahanan Retak |
Sedang (4–5 MPa·m¹/²) |
Sedang (3–4 MPa·m¹/²) |
Rendah (1–2 MPa·m¹/²) |
Tinggi (6–7 MPa·m¹/²) |
3) Aplikasi substrat keramik?
- Elektronika Industri: Karena sifat isolasi termal dan ketangguhannya, substrat keramik banyak ditemukan pada perangkat industri berdaya tinggi seperti pengontrol motor dan mesin las.
- Energi terbarukan: Dalam konverter daya dan unit kontrol di panel surya dan turbin angin, substrat keramik dimasukkan untuk manajemen termal yang efektif dalam peralatan konversi energi.
- Perangkat Frekuensi Tinggi: Untuk rangkaian RF, antena, dan sistem komunikasi gelombang mikro, substrat keramik merupakan bahan yang cocok karena kerugiannya yang rendah dan stabilitasnya untuk batas frekuensi tinggi.
- Kendaraan Listrik (EV): Pada baterai kendaraan listrik dan stasiun pengisian daya EV, substrat PCB keramik membantu pembuangan panas dan menyediakan isolasi listrik untuk pemindahan daya dan keamanan yang efektif.
- Elektronik Konsumen: Substrat keramik memperkuat kapasitor dan induktor yang digunakan dalam telepon pintar, laptop, serta televisi untuk meningkatkan kinerja dan kontrol termal.
- Pertahanan dan Militer: Papan sirkuit keramik dipasang di sistem radar, komunikasi, dan rudal modern yang digunakan ketika kinerja, daya tahan, dan stabilitas termal merupakan kebutuhan inti.
- Penukar Panas: Substrat keramik juga digunakan dalam penukar panas untuk aplikasi industri karena ketahanan strukturalnya dalam pengaturan abrasif suhu tinggi dan korosi.
- Teknologi Pencahayaan: Selain LED, substrat PCB Keramik dimasukkan dalam sistem pencahayaan seperti lampu halogen dan perangkat pencahayaan lainnya dengan tujuan pembuangan panas yang efektif.
4) Keuntungan Substrat Keramik?
+ Desain Kompak: Memfasilitasi tata letak hemat-ruang melalui penggunaan sirkuit elektronik dalam kepadatan lebih tinggi.
+ Isolasi Listrik: Pemakaian listriknya aman dengan resistivitas dalam kisaran 10^12 sampai 10^16 Ohm cm.
+ Daya tahan: Bahan-bahan ini memiliki kekuatan mekanis antara 350-400 MPa dan memberikan kekebalan anatomi terhadap keausan dan zat korosif.
+ Konduktivitas Termal Tinggi: Mencapai nilai konduktivitas termal sekitar 200 W/mK yang menunjukkan potensi perpindahan panas yang substansial.
+ Tahan Suhu Tinggi: Mudah digunakan di area panas tinggi karena batas atasnya bisa mencapai 2.000 derajat Celsius.
+ Ekspansi Termal Rendah: Agar dapat menahan variasi suhu, mereka memiliki nilai koefisien ekspansi termal yang kecil, sehingga tidak retak.
+ Berkelanjutan secara Lingkungan: Mayoritas bahan keramik yang digunakan dalam elektronik memiliki toksisitas rendah dan lebih ramah lingkungan dibandingkan bahan lainnya.
+ Keandalan dari waktu ke waktu: Substrat keramik menunjukkan perilaku yang konsisten bahkan dalam kondisi yang drastis seperti perbedaan suhu. Oleh karena itu, masa pakai perangkat elektronik meningkat.
+ Ketahanan Kimia: Berkat tidak adanya bahan organik, substrat keramik memiliki tingkat ketahanan yang tinggi terhadap korosi kimia dan faktor lingkungan, yang meningkatkan keandalan dalam kondisi keras.
5) Keterbatasan Substrat Keramik?
- Kerapuhan: Meskipun memiliki konduktivitas termal yang rendah, substrat keramik yang rapuh dapat dengan mudah pecah jika diberi gaya. Ketahanan retaknya diperkirakan sekitar 4-5 MPa·m¹/² yang jauh lebih rendah daripada logam.
– Biaya Tinggi: Substrat keramik biasanya memiliki biaya satuan lebih tinggi daripada opsi/substrat lain, hingga 3-4 kali lipat harga material lain.
– Kompleksitas Pemrosesan: Tantangan yang terkait dengan produksi substrat keramik meliputi persyaratan suhu pemrosesan sel yang tinggi dalam kisaran sekitar 1500–1600 °C.
– Kurangnya Fleksibilitas: Keramik bersifat keras dan tidak cocok untuk kasus yang memerlukan pembengkokan atau pelenturan keramik.
– Penanganan Risiko: Karena sifatnya yang beracun, beberapa keramik dianggap berbahaya dan hanya dapat ditangani dengan tindakan pencegahan.
– Berat: Kepadatannya yang tinggi sekitar 3,95 g/cm³ merupakan kerugian saat menjalankan desain berbobot rendah karena berat.
– Tahanan Guncangan Termal Rendah: Jika terjadi perubahan suhu secara tiba-tiba karena daya tahan guncangan termal yang rendah, keretakan atau retakan dapat terjadi.
– Biaya produksi dan waktu sangat meningkat karena keramik sangat sulit untuk dikerjakan dan memerlukan peralatan khusus untuk melakukannya.
Kesimpulan
Singkatnya, substrat keramik sangat penting untuk meningkatkan kinerja, keawetan, dan efisiensi perangkat elektronik yang Anda gunakan. Stabilitas termal dan isolasi listriknya yang luar biasa serta kemampuannya untuk berfungsi di lingkungan yang ekstrem membuatnya sangat berharga dalam industri elektronika daya, LED, dan semikonduktor.
Jika Anda ingin membumbui proyek Anda dengan substrat keramik atas, SANGAT INDAH adalah situs untuk berbelanja. Kami memiliki bahan berkualitas tinggi dan layanan luar biasa yang merupakan semua yang dibutuhkan seseorang untuk meningkatkan kualitas elektronik mereka.