Bent u zich ooit afgevraagd hoe krachtige elektronica moeiteloos functioneert en koel blijft? Het mysterie schuilt mogelijk in keramische substraten. Deze onopvallende materialen bieden superieure thermische beheersing, elektrische isolatie en robuustheid, waardoor ze onmisbaar zijn in alles van vermogenselektronica tot ledverlichting. Ontdek hoe keramiek de prestaties en levensduur van apparaten versnelt en verbetert, en hoe het de technologie in alledaagse voorwerpen verandert.
⇒ Controlelijst
-
Wat is een keramisch substraat?
-
Welke materialen worden gebruikt in het keramische substraat?
-
Toepassingen van keramische substraten?
-
Voordelen van keramische substraten?
-
Beperkingen van keramische substraten?
1) Wat is een keramisch substraat?
“Een keramisch substraat is precies wat je nodig hebt als je werkt met elektronica die veel warmte genereert. Het biedt hittebestendigheid en isolatie.”
Allereerst is het belangrijk om te weten dat keramische substraten een goede basis vormen voor elektronische apparaten vanwege hun hittebestendigheid. Naarmate elektronica heter wordt, geleidt en benut het keramische substraat de warmte optimaal dankzij hun goede thermische geleidbaarheid (sommige bereiken zelfs 200 W/mK). Dit zorgt ervoor dat uw componenten niet oververhit raken en goed werken.
Ze bieden ook uitstekende isolatie, waardoor er geen elektrische stroom door de basis kan lopen en kortsluiting kan ontstaan. Ze zijn misschien wat prijzig, maar gezien hun sterkte en betrouwbaarheid zijn ze nodig wanneer standaardmaterialen niet toereikend zijn, voor continue koeling, stabilisatie en bescherming van alle componenten in uw elektronica.
⇒ Geschiedenis Overzicht
Keramische substraten werden voor het eerst gebruikt halverwege de 20e eeuw, met belangrijke inbreng van de metallurg Paul B. de Niverville, die in de jaren 1950 begon met het gebruik van aluminiumoxidesubstraat (Al₂O₃) in elektrische toepassingen.
In de jaren 1960 en 1970 vond de expansie plaats toen Alfred L. Hazen en andere onderzoekers het gebruik van keramiek in vermogenselektronica uitbreidden. Hierdoor werd het gebruik van materialen zoals aluminiumoxide verbeterd om warmte- en isolatie-eigenschappen te verkrijgen.
In de jaren 80 modificeerden James E. Mayer et al. keramische substraten van aluminiumnitride (AlN) aanzienlijk vanwege hun goede thermische geleidbaarheid. In de jaren 90 vond keramiek zijn toepassing in industrieën zoals de automobielindustrie, de medische sector en de telecommunicatie. Tegenwoordig zijn ze essentieel in vermogenselektronica, ledverlichting en micro-elektronica dankzij de verbeteringen in materiaaleigenschappen en fabricagetechnieken.
2) Welke materialen worden gebruikt in het keramische substraat?
Bij keramische substraten worden in principe 4 soorten materialen gebruikt;
-
Aluminiumoxide (Al₂O₃)
-
Aluminiumnitride (AlN)
-
Berylliumoxide (BeO)
-
Siliciumnitride (Si₃N₄)
|
Aluminiumoxide (Al₂O₃) |
Aluminiumnitride (AlN) |
Berylliumoxide (BeO) |
Siliciumnitride (Si₃N₄) |
|
|
Thermische geleidbaarheid |
20–30 W/mK |
170–200 W/mK |
200–300 W/mK |
30–150 W/mK |
|
Elektrische weerstand |
~10¹² ohm·cm |
~10¹⁴ ohm·cm |
~10¹⁶ ohm·cm |
~10¹⁶ ohm·cm |
|
Temperatuurbestendigheid |
Tot 1.600°C |
Tot 1.800°C |
Tot 2.000°C |
Tot 1.400°C |
|
Mechanische sterkte |
Hoog (350–400 MPa) |
Hoog (200–300 MPa) |
Zeer hoog (600–700 MPa) |
Zeer hoog (900–1.000 MPa) |
|
Diëlektrische sterkte |
~15–20 kV/mm |
~10–12 kV/mm |
~18–20 kV/mm |
~15–18 kV/mm |
|
Kosten |
Laag |
Gematigd |
Hoog |
Gematigd |
|
Breuktaaiheid |
Matig (4–5 MPa·m¹/²) |
Matig (3–4 MPa·m¹/²) |
Laag (1–2 MPa·m¹/²) |
Hoog (6–7 MPa·m¹/²) |
3) Toepassingen van keramische substraten?
- Industriële elektronica: Vanwege hun thermische isolatie en taaiheid worden keramische substraten veelvuldig gebruikt in krachtige industriële apparaten, zoals motorcontrollers en lasmachines.
- Hernieuwbare energie: In vermogenomvormers en regeleenheden in zonnepanelen en windturbines worden keramische substraten verwerkt om een effectief thermisch beheer in het energieomzettingsapparaat te waarborgen.
- Hoogfrequente apparaten: Voor RF-circuits, antennes en microgolfcommunicatiesystemen zijn keramische substraten geschikte materialen vanwege hun lage verlies en stabiliteit bij hoge frequenties.
- Elektrische voertuigen (EV's): In accu's van elektrische voertuigen en laadstations voor elektrische voertuigen dragen keramische PCB-substraten bij aan de warmteafvoer en zorgen ze voor elektrische isolatie, wat zorgt voor een effectieve en veilige energieoverdracht.
- Consumentenelektronica: Keramische substraten versterken condensatoren en inductoren die worden gebruikt in smartphones, laptops en televisies, voor betere prestaties en thermische controle.
- Defensie en leger: Keramische printplaten worden gebruikt in moderne radar-, communicatie- en raketsystemen die worden ingezet wanneer prestaties, duurzaamheid en thermische stabiliteit essentieel zijn.
- Warmtewisselaars: Keramische substraten worden ook gebruikt in warmtewisselaars voor industriële toepassingen vanwege hun structurele veerkracht in schurende omgevingen met hoge temperaturen en corrosie.
- Verlichtingstechnologie: Naast LED's worden keramische PCB-substraten ook gebruikt in verlichtingssystemen zoals halogeenlampen en andere verlichtingsapparaten met als doel een effectieve warmteafvoer te bereiken.
4) Voordelen van keramische substraten?
+ Compact ontwerp: Maakt ruimtebesparende lay-outs mogelijk door het gebruik van elektronische circuits in hogere dichtheden.
+ Elektrische isolatie: Elektrisch gebruik is veilig met een soortelijke weerstand binnen het bereik van 10^12 tot 10^16 Ohm cm.
+ Duurzaamheid: Deze materialen hebben een mechanische sterkte tussen 350-400 MPa en bieden anatomische immuniteit tegen slijtage en corrosieve stoffen.
+ Hoge thermische geleidbaarheid: Bereikt thermische geleidbaarheidswaarden van ongeveer 200 W/mK en biedt daarmee potentieel voor aanzienlijke warmteoverdracht.
+ Hoge temperatuurbestendigheid: Gemakkelijk te gebruiken in ruimtes met hoge temperaturen, aangezien de bovengrens 2.000 graden Celsius kan zijn.
+ Lage thermische uitzetting: Om temperatuurschommelingen te kunnen weerstaan, hebben ze een kleine waarde voor de thermische uitzettingscoëfficiënt, waardoor ze niet scheuren.
+ Milieuvriendelijk: De meeste keramische materialen die in elektronica worden gebruikt, zijn weinig giftig en milieuvriendelijker dan andere materialen.
+ Betrouwbaarheid in de tijd: Keramische substraten vertonen consistent gedrag, zelfs onder extreme omstandigheden zoals temperatuurverschillen. Hierdoor wordt de levensduur van elektronische apparaten verlengd.
+ Chemische bestendigheid: Dankzij de afwezigheid van organische materialen hebben keramische substraten een hoge mate van bestendigheid tegen chemische corrosie en omgevingsfactoren, wat de betrouwbaarheid onder zware omstandigheden vergroot.
5) Beperkingen van keramische substraten?
- Broosheid: Ondanks hun lage thermische geleidbaarheid kunnen brosse keramische substraten gemakkelijk breken onder invloed van kracht. Hun breuktaaiheid kan worden geschat op ongeveer 4-5 MPa·m¹/², wat veel lager is dan die van metalen.
– Hoge kosten: Keramische substraten hebben doorgaans hogere kosten per stuk dan andere opties/substraten, tot wel 3-4 keer de prijs van andere materialen.
– Verwerkingscomplexiteit: De uitdagingen die gepaard gaan met het produceren van keramische substraten zijn onder meer de vereiste hoge celverwerkingstemperaturen in het bereik van circa 1500–1600 °C.
– Gebrek aan flexibiliteit: Keramiek is hard en is niet geschikt voor gevallen waarin keramiek gebogen of gebogen moet worden.
– Omgaan met risico's: Sommige keramieksoorten worden vanwege hun giftigheid als gevaarlijk beschouwd en mogen alleen met voorzichtigheid worden gehanteerd.
– Gewicht: Hun hoge dichtheid van circa 3,95 g/cm³ is een nadeel bij lichte ontwerpen, omdat ze zwaar zijn.
– Lage thermische schokbestendigheid: Als er een plotselinge temperatuurverandering optreedt vanwege de geringe thermische schokbestendigheid, kunnen er scheuren of breuken ontstaan.
– Productiekosten en de tijd wordt aanzienlijk verlengd omdat keramiek moeilijk te bewerken is en er speciaal gereedschap voor nodig is.
Conclusie
Kortom, keramische substraten zijn cruciaal voor het verbeteren van de prestaties, levensduur en efficiëntie van de elektronische apparaten die u gebruikt. Hun uitstekende thermische stabiliteit en elektrische isolatie, evenals hun vermogen om te functioneren onder extreme omstandigheden, maken ze van onschatbare waarde in de vermogenselektronica, led- en halfgeleiderindustrie.
Als u uw projecten wilt opfleuren met keramische substraten van topkwaliteit, HEERLIJK is dé site om te kopen. Wij bieden hoogwaardige materialen en uitstekende service, alles wat u nodig heeft om uw elektronica te verbeteren.