陶瓷基板 VS FR-4，有哪些優(yōu)勢?？

陶瓷基板

傳統(tǒng)綠色電路板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg) 可低至 130°C。這是電力電子應(yīng)用中的一個問題，高元件密度和狹小的空間相結(jié)合會導(dǎo)致溫度升高。為了避免過早失效，答案是采用陶瓷基板。下面就來看看這個問題并解釋一下陶瓷的優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)電路板結(jié)構(gòu)

絕大多數(shù)電路板均采用 FR-4 制造。它是一種廉價的環(huán)氧樹脂浸漬玻璃纖維材料，非常適合要求不高的低功率應(yīng)用。這也使其成為許多工程師開發(fā)新電路時的首選。遺憾的是，F(xiàn)R-4 的三個特性限制了其在電力電子應(yīng)用中的使用：

?導(dǎo)熱系數(shù)低
?熱膨脹系數(shù) (CTE) 低
?低Tg（一般在130至170°C范圍內(nèi)）

導(dǎo)電性差會導(dǎo)致電路板上出現(xiàn)熱點(diǎn)。低 CTE 會導(dǎo)致電路板和銅層以及走線、焊點(diǎn)和組件之間存在差異膨脹。低 Tg 意味著板材會在相對較低的溫度下軟化和變形。

FR-4 板上的金屬結(jié)構(gòu)改善了這個問題，但它們也占用空間。散熱器和散熱片可以散熱，但需要?dú)饬?。另外，還存在如何在高功率組件和散熱器之間建立良好結(jié)合的問題。最終，很明顯，可靠的電力電子設(shè)備需要 FR-4 板的替代品。這就是探索陶瓷基板的時候了。

陶瓷基板的類型

與 FR-4 一樣，陶瓷也是良好的電絕緣體。但與 FR-4 不同的是，陶瓷的導(dǎo)熱性可以與鋁散熱器相媲美。

陶瓷有許多不同類型，但其中三種作為基材尤其突出。它們是氧化鋁 (Al2O3)、氮化鋁 (AlN) 和氧化鈹 (BeO)。對于每一種，跡線都是通過將導(dǎo)電金屬漿料絲網(wǎng)印刷到陶瓷上形成的，然后進(jìn)行烘烤或燒制。

厚膜陶瓷 PCB 使用金、銀或更常見的銅作為導(dǎo)體，并在略低于 1,000°C 的氮?dú)鈿夥罩泻婵?。（氮?dú)鈿夥湛煞乐寡趸?。）替代制造方法是低溫共燒陶?(LTCC) PCB 工藝和高溫共燒陶瓷 (HTCC) PCB 工藝。在 LTCC 中，走線通常是金，而 HTCC 則使用鎢和鉬。

陶瓷相對于FR-4的優(yōu)勢

從 FR-4 改用陶瓷 PCB 基板的主要好處是陶瓷如何應(yīng)對高溫。上面提到的陶瓷基板是非常出色的熱導(dǎo)體，這意味著它們可以更好地將熱量從電路板設(shè)備轉(zhuǎn)移到散熱器中。這也可以防止局部熱點(diǎn)的形成。

為了比較，電導(dǎo)率值如下：
FR-4 0.8 – 1.1 W/mK
氧化鋁 24 – 29 W/mK
氮化鋁 180 – 230 W/mK
氧化鈹 170 – 280 W/mK

第二個好處是陶瓷基板的 CTE 與基板上的金屬跡線以及焊接到基板上的組件的 CTE 更接近。這有助于最大限度地減少可能導(dǎo)致元件和焊點(diǎn)斷裂的應(yīng)力。

底線是這樣的：由于陶瓷基板能夠更好地將熱量從熱源帶走，因此在電力電子應(yīng)用中，它們成為比 FR-4 更可靠的 PCB 基板材料，并允許設(shè)計人員實現(xiàn)更高功率密度的設(shè)計。然而，陶瓷還有另外兩個優(yōu)點(diǎn)。

在高頻電力電子應(yīng)用中，F(xiàn)R-4 板可能會因走線和組件非常接近而受到寄生電容效應(yīng)的影響。這會阻礙高頻響應(yīng)，并且隨著電路板變得更加密集，這將成為一個更大的問題。陶瓷基板不會遇到這個問題。

陶瓷的耐濕性比 FR-4 好得多。FR-4 會吸收水分，這可能是船舶和車輛電力電子應(yīng)用中的一個重要問題。相比之下，陶瓷則不存在這樣的問題。

考慮高溫應(yīng)用中的耐用性

FR-4 長期以來一直是電路板的“首選”材料。它在許多應(yīng)用中表現(xiàn)良好，但受到高溫和潮濕的挑戰(zhàn)。許多電力電子應(yīng)用會產(chǎn)生大量熱量，使用 FR-4 基板意味著存在長期可靠性風(fēng)險。尋求陶瓷基板并保護(hù)您的設(shè)備免于在高功率應(yīng)用中過早失效。在高功率應(yīng)用中使用陶瓷基板意味著更高的可靠性和更小的產(chǎn)品占地面積。

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