Вам когда-нибудь было интересно, как мощная электроника работает без усилий и сохраняет прохладу? Тайна может крыться в керамических подложках. Эти ничем не примечательные материалы обеспечивают превосходное управление температурой, электроизоляцию и прочность, что делает их незаменимыми во всем, от силовой электроники до светодиодного освещения. Узнайте, как керамика ускоряет и улучшает производительность и срок службы устройств, и как она изменяет технологию, используемую в повседневных предметах.
⇒ Контрольный список
-
Что такое керамическая подложка?
-
Материалы, используемые в керамической подложке?
-
Применение керамических подложек?
-
Преимущества керамических подложек?
-
Ограничения керамических подложек?
1) Что такое керамическая подложка?
«Керамическая подложка — это именно то, что вам нужно при работе с электроникой, которая выделяет много тепла. Она обеспечивает термостойкость и изоляцию».
Первое, что следует отметить, это то, что керамические подложки действительно служат хорошей основой для электронных устройств из-за их способности противостоять теплу. По мере того, как электроника нагревается, керамическая подложка передает и эффективно использует тепло благодаря своей хорошей теплопроводности (некоторые достигают даже 200 Вт/мК). Это гарантирует, что ваши компоненты не перегреются и будут работать хорошо.
Они также обеспечивают отличную изоляцию, предотвращая протекание электрического тока через основание и возникновение короткого замыкания. Они могут быть немного дорогими, но, учитывая их прочность и надежность, они необходимы, когда стандартных материалов недостаточно, для поддержания охлаждения, стабилизации и защиты всех компонентов вашей электроники.
⇒ Обзор истории
Керамические подложки начали использоваться примерно в середине XX века, при значительном вкладе металлурга Поля Б. де Нивервиля, который в 1950-х годах начал использовать подложку из оксида алюминия (Al₂O₃) в электротехнических изделиях.
В 1960-х и 1970-х годах расширение произошло, когда Альфред Л. Хазен и другие исследователи увеличили использование керамики в силовой электронике, что способствовало использованию таких материалов, как оксид алюминия, для улучшения теплоизоляционных свойств.
В 1980-х годах Джеймс Э. Майер и др. значительно модифицировали керамические подложки из нитрида алюминия (AlN) благодаря их хорошей теплопроводности. К 90-м годам керамика нашла свое применение в таких отраслях, как автомобилестроение, медицина и телекоммуникации. В настоящее время они играют важную роль в силовой электронике, светодиодном освещении и микроэлектронике благодаря улучшению характеристик материалов и методов изготовления.
2) Материалы, используемые в керамической подложке?
В керамических подложках в основном используются 4 типа материалов:
-
Глинозем (Al₂O₃)
-
Нитрид алюминия (AlN)
-
Оксид бериллия (BeO)
-
Нитрид кремния (Si₃N₄)
|
Глинозем (Al₂O₃) |
Нитрид алюминия (AlN) |
Оксид бериллия (BeO) |
Нитрид кремния (Si₃N₄) |
|
|
Теплопроводность |
20–30 Вт/мК |
170–200 Вт/мК |
200–300 Вт/мК |
30–150 Вт/мК |
|
Электрическое сопротивление |
~10¹² Ом·см |
~10¹⁴ Ом·см |
~10¹⁶ Ом·см |
~10¹⁶ Ом·см |
|
Температурная стойкость |
До 1600°С |
До 1800°С |
До 2000°С |
До 1400°С |
|
Механическая прочность |
Высокая (350–400 МПа) |
Высокая (200–300 МПа) |
Очень высокая (600–700 МПа) |
Очень высокая (900–1000 МПа) |
|
Диэлектрическая прочность |
~15–20 кВ/мм |
~10–12 кВ/мм |
~18–20 кВ/мм |
~15–18 кВ/мм |
|
Расходы |
Низкий |
Умеренный |
Высокий |
Умеренный |
|
Вязкость разрушения |
Умеренная (4–5 МПа·м¹/²) |
Умеренная (3–4 МПа·м¹/²) |
Низкий (1–2 МПа·м¹/²) |
Высокая (6–7 МПа·м¹/²) |
3) Применение керамических подложек?
- Промышленная электроника: Благодаря своей теплоизоляции и прочности керамические подложки широко используются в мощных промышленных устройствах, таких как контроллеры двигателей и сварочные аппараты.
- Возобновляемая энергия: В преобразователях мощности и блоках управления солнечных панелей и ветряных турбин используются керамические подложки для эффективного управления тепловым режимом внутри устройств преобразования энергии.
- Высокочастотные устройства: Для радиочастотных цепей, антенн и систем микроволновой связи керамические подложки являются подходящими материалами из-за их низких потерь и стабильности в диапазоне высоких частот.
- Электромобили (ЭМ): В аккумуляторных батареях электромобилей и зарядных станциях для электромобилей керамические подложки печатных плат способствуют рассеиванию тепла и обеспечивают электрическую изоляцию для эффективной передачи энергии и безопасности.
- Бытовая электроника: Керамические подложки усиливают конденсаторы и индукторы, используемые в смартфонах, ноутбуках, а также телевизорах, для повышения производительности и терморегулирования.
- Оборона и армия: Керамические печатные платы устанавливаются в современных радиолокационных, коммуникационных и ракетных системах, которые применяются в случаях, когда основными требованиями являются производительность, долговечность и термостойкость.
- Теплообменники: Керамические подложки также используются в теплообменниках промышленного назначения благодаря их структурной устойчивости в абразивных условиях, при высоких температурах и коррозии.
- Технология освещения: Помимо светодиодов, керамические подложки печатных плат используются в системах освещения, таких как галогенные лампы и другие осветительные приборы, с целью эффективного рассеивания тепла.
4) Преимущества керамических подложек?
+ Компактный дизайн: Обеспечивает экономию пространства за счет использования электронных схем с более высокой плотностью.
+ Электроизоляция: Использование электричества безопасно при сопротивлении в диапазоне от 10^12 до 10^16 Ом·см.
+ Долговечность: Эти материалы имеют механическую прочность 350–400 МПа и обеспечивают устойчивость конструкции к износу и воздействию коррозионных агентов.
+ Высокая теплопроводность: Достигает значений теплопроводности около 200 Вт/мК, демонстрируя потенциал для существенной теплопередачи.
+ Устойчивость к высоким температурам: Легко используется в зонах с высокой температурой, поскольку верхний предел может составлять 2000 градусов по Цельсию.
+ Низкое тепловое расширение: Чтобы выдерживать перепады температур, они имеют небольшое значение коэффициента теплового расширения, что позволяет им не трескаться.
+ Экологически устойчивый: Большинство керамических материалов, используемых в электронике, имеют низкую токсичность и более экологичны, чем другие материалы.
+ Надежность с течением времени: Керамические подложки показывают стабильное поведение даже в экстремальных условиях, таких как перепады температур. Таким образом, срок службы электронных устройств увеличивается.
+ Химическая стойкость: Благодаря отсутствию органических материалов керамические подложки обладают высокой степенью устойчивости к химической коррозии и факторам окружающей среды, что повышает надежность в суровых условиях.
5) Ограничения керамических подложек?
- Хрупкость: Несмотря на низкую теплопроводность, хрупкие керамические подложки легко ломаются под действием приложенной силы. Их вязкость разрушения может быть оценена примерно в 4-5 МПа·м¹/², что значительно меньше, чем у металлов.
– Высокая стоимость: Керамические подложки обычно имеют более высокую удельную стоимость, чем другие варианты/подложки, в 3–4 раза превышающую стоимость других материалов.
– Сложность обработки: К проблемам, связанным с производством керамических подложек, относится необходимость высоких температур обработки ячеек в диапазоне около 1500–1600 °C.
– Отсутствие гибкости: Керамика твердая и не подходит для случаев, когда требуется сгибание или изгибание керамики.
– Управление рисками: Из-за токсичности некоторые виды керамики считаются опасными, и обращаться с ними можно только с осторожностью.
– Масса: Их высокая плотность, около 3,95 г/см³, является недостатком при создании легких конструкций, поскольку они тяжелые.
– Низкая стойкость к тепловому удару: При резком изменении температуры из-за низкой стойкости к тепловому удару могут возникнуть трещины или разрывы.
– Производственные затраты и время значительно увеличиваются, поскольку керамика очень сложна в обработке и требует специальных инструментов.
Заключение
Подводя итог, керамические подложки имеют решающее значение для повышения производительности, долговечности и эффективности электронных устройств, которые вы используете. Их превосходная термостойкость и электроизоляция, а также способность работать в экстремальных условиях делают их бесценными в силовой электронике, светодиодах и полупроводниковой промышленности.
Если вы хотите придать изюминку своим проектам с помощью высококачественных керамических подложек, ВЕЛИКОЛЕПНЫЙ это сайт для покупки. У нас есть высококачественные материалы и выдающиеся услуги, которые являются всем, что нужно для улучшения вашей электроники.