您是否好奇过，高功率电子设备如何高效运行并保持低温？秘密或许就在于陶瓷基板。这些不起眼的材料拥有卓越的热管理、电气绝缘和坚固耐用的特性，使其成为从电力电子到LED照明等各种领域不可或缺的材料。了解陶瓷如何加速和提升设备的性能和使用寿命，以及它们如何改变日常用品中的技术。
⇒ 核对清单
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什么是陶瓷基板？
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陶瓷基板使用什么材料？
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陶瓷基板的应用？
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陶瓷基板的优点？
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陶瓷基板的局限性？
1）什么是陶瓷基板？
“当使用会产生大量热量的电子设备时，陶瓷基板正是您所需要的 - 它们具有耐热性和绝缘性。”
首先需要注意的是，陶瓷基板因其优异的耐热性能，确实可以作为电子设备的良好基底。随着电子设备温度升高，陶瓷基板凭借其良好的导热性（有些甚至高达 200 W/mK）能够有效传导并利用热量。这可以确保您的组件不会过热，并保持良好的工作状态。
它们还能提供良好的绝缘性能，防止电流流过底座并导致短路。它们可能价格略贵，但考虑到其强度和可靠性，当标准材料不足时，它们是必不可少的，能够持续冷却、稳定并保护电子设备中的所有组件。
⇒ 历史概述
陶瓷基板于 20 世纪中叶开始使用，冶金学家 Paul B. de Niverville 做出了重要贡献，他在 20 世纪 50 年代开始在电气应用中使用氧化铝基板 (Al₂O₃)。
在 20 世纪 60 年代和 70 年代，随着 Alfred L. Hazen 和其他研究人员增加了陶瓷在电力电子中的使用，从而增强了氧化铝等材料的使用以获得耐热和绝缘性能，陶瓷的应用也得到了扩展。
20世纪80年代，James E. Mayer等人利用氮化铝（AlN）陶瓷基板良好的导热性对其进行了重大改进。到了90年代，陶瓷基板已广泛应用于汽车、医疗和电信等行业。如今，由于材料特性和制造技术的改进，陶瓷基板已成为电力电子、LED照明和微电子领域不可或缺的材料。
2）陶瓷基板使用的材料？
在陶瓷基板中，基本上使用 4 种类型的材料；
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氧化铝（Al₂O₃）
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氮化铝（AlN）
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氧化铍（BeO）
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氮化硅（Si₃N₄）
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氧化铝（Al₂O₃） |
氮化铝（AlN） |
氧化铍（BeO） |
氮化硅（Si₃N₄） |
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热导率 |
20–30 瓦/米开尔 |
170–200 瓦/米开尔 |
200–300 瓦/米开尔 |
30–150 瓦/米开尔 |
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电阻率 |
~10¹² 欧姆·厘米 |
~10¹⁴欧姆·厘米 |
~10¹⁶欧姆·厘米 |
~10¹⁶欧姆·厘米 |
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耐温性 |
最高温度1,600°C |
最高温度1,800°C |
高达 2,000°C |
最高温度1,400°C |
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机械强度 |
高（350–400 MPa） |
高（200–300 MPa） |
非常高（600–700 MPa） |
非常高（900-1,000 MPa） |
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介电强度 |
~15–20千伏/毫米 |
~10–12千伏/毫米 |
~18–20千伏/毫米 |
~15–18千伏/毫米 |
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成本 |
低的 |
缓和 |
高的 |
缓和 |
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断裂韧性 |
中等（4-5 MPa·m¹/²） |
中等（3–4 MPa·m¹/²） |
低（1-2 MPa·m¹/²） |
高（6-7 MPa·m¹/²） |
3）陶瓷基板的应用？
- 工业电子： 由于陶瓷基板具有隔热性和韧性，广泛应用于电机控制器、焊接机等高功率工业设备中。
- 可再生能源： 在太阳能电池板和风力涡轮机的电源转换器和控制单元中，采用陶瓷基板来实现能量转换装置内的有效热管理。
- 高频设备： 对于射频电路、天线和微波通信系统，陶瓷基板因其低损耗和高频极限稳定性而成为合适的材料。
- 电动汽车（EV）： 在电动汽车电池和电动汽车充电站中，陶瓷 PCB 基板有助于散热并提供电气绝缘，以实现有效的电力传输和安全性。
- 消费电子产品： 陶瓷基板增强了智能手机、笔记本电脑以及电视中使用的电容器和电感器，以提高性能和热控制。
- 国防和军事： 陶瓷电路板安装在现代雷达、通信和导弹系统中，这些系统在性能、耐用性和热稳定性是核心必需品时才会部署。
- 热交换器： 陶瓷基板由于其在高温和腐蚀的磨蚀环境中的结构弹性，也用于工业应用的热交换器中。
- 照明技术： 除 LED 外，陶瓷 PCB 基板还被纳入卤素灯和其他照明设备等照明系统中，以实现有效散热。
4）陶瓷基板的优点？
+紧凑的设计： 通过使用更高密度的电子电路来节省布局空间。
+ 电气绝缘： 当电阻率在 10^12 至 10^16 欧姆厘米范围内时，电气使用是安全的。
+耐用性： 这些材料的机械强度在 350-400 MPa 之间，具有抗磨损和抗腐蚀性能。
+ 高导热性： 达到约 200 W/mK 的热导率值，展现出大量热传递的潜力。
+ 耐高温： 上限可达 2,000 摄氏度，可轻松用于高热地区。
+ 低热膨胀： 为了承受温度变化，它们的热膨胀系数较小，从而使其不会破裂。
+ 环境可持续性： 电子产品中使用的大多数陶瓷材料毒性低，比其他材料更环保。
+ 长期可靠性： 陶瓷基板即使在温差等剧烈条件下也能保持稳定的性能，从而延长电子设备的使用寿命。
+ 耐化学性： 由于不含有机材料，陶瓷基板具有很强的抵抗化学腐蚀和环境因素的能力，从而提高了在恶劣条件下的可靠性。
5）陶瓷基板的局限性？
- 脆性： 尽管陶瓷基板导热系数较低，但其性质脆性较高，在施加力的作用下很容易断裂。其断裂韧性估计约为 4-5 MPa·m¹/²，远低于金属。
– 高成本： 陶瓷基板的单位成本通常高于其他选项/基板，最高可达其他材料价格的 3-4 倍。
– 处理复杂性： 生产陶瓷基板所面临的挑战包括需要约 1500–1600°C 范围内的高电池处理温度。
– 缺乏灵活性： 陶瓷很硬，不适用于需要弯曲或挠曲陶瓷的情况。
– 处理风险： 由于毒性，一些陶瓷被认为是危险的，只能谨慎处理。
– 重量： 它们的密度高达 3.95 g/cm³，这在进行轻量化设计时是一个缺点，因为它们很重。
– 抗热震性低： 由于抗热震性低，如果温度发生突然变化，可能会发生开裂或断裂。
– 生产成本 由于陶瓷很难加工，需要专门的工具才能加工，因此加工时间和成本都大大增加。
结论
总而言之，陶瓷基板对于提升电子设备的性能、寿命和效率至关重要。其卓越的热稳定性和电绝缘性，以及在极端环境下的出色性能，使其在电力电子、LED 和半导体行业中发挥着不可估量的作用。
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