세라믹 PCB: 장점, 제조 및 고온 전자 제품에서의 응용

세라믹 PCB는 전기 전자 분야에서 획기적인 변화를 가져왔으며, 전기 자동차(EV) 인버터, LED 조명, 항공우주 센서와 같은 오늘날의 전력 밀도가 높은 장치에 필수적인 탁월한 열 전도성, 고온 저항성 및 신호 무결성을 제공합니다.

유기 기판에 의존하는 기존 FR4 PCB와 달리, 세라믹 PCB는 알루미나, 질화 알루미늄, 탄화 규소와 같은 무기 재료를 사용하여 열, 습기 및 화학 물질 노출이 표준 기판을 저하시키는 가혹한 환경에 이상적입니다.

이 가이드는 세라믹 PCB의 고유한 특성, 제조 공정, 기존 PCB에 비해 갖는 주요 장점 및 실제 적용 사례를 살펴봅니다. 고출력 LED 모듈을 설계하든 견고한 항공우주 부품을 설계하든, 세라믹 PCB를 이해하면 극한의 성능 요구 사항에 적합한 기판을 선택하는 데 도움이 됩니다.
주요 내용
1. 세라믹 PCB는 FR4보다 10~100배 높은 열 전도성을 가진 무기 기판(알루미나, 질화 알루미늄)을 사용하여 열이 많이 발생하는 응용 분야에 이상적입니다.
2. 최대 250°C(알루미나) 및 300°C(질화 알루미늄)의 연속 작동 온도를 견딜 수 있으며, 이는 FR4의 130°C 제한을 훨씬 초과합니다.
3. 세라믹 PCB는 우수한 전기 절연(유전 강도 >20kV/mm)과 낮은 신호 손실을 제공하며, 이는 고주파 설계(5G, 레이더)에 중요합니다.
4. FR4보다 비싸지만, 세라믹 PCB는 방열판을 제거하고 고출력 응용 분야에서 구성 요소 수명을 개선하여 시스템 비용을 절감합니다.

5. 주요 응용 분야에는 EV 전력 전자 장치, 산업용 모터, 의료 영상 및 항공우주 시스템이 포함되며, 극한 조건에서의 신뢰성은 타협할 수 없습니다.
세라믹 PCB란 무엇인가?

세라믹 PCB는 전도성 구리층에 결합된 무기 세라믹 재료로 만들어진 기판을 가진 회로 기판입니다. 세라믹 기판은 기계적 지지 및 열 전도를 제공하는 반면, 구리층은 회로 트레이스와 패드를 형성합니다. 유기 기판(FR4, 폴리이미드)과 달리 세라믹은 열적으로 안정하고, 화학적으로 비활성이며, 전기적으로 절연되어 고성능 전자 제품에 필수적인 특성을 가지고 있습니다.
일반적인 세라믹 기판 재료

웨어러블, 플렉시블 세라믹 PCB

주요 통찰력: 질화 알루미늄(AlN)은 열 성능과 비용 간의 균형을 이루어 EV 트랙션 인버터와 같은 고출력 전자 제품에 가장 널리 사용되는 선택입니다.
세라믹 PCB의 작동 방식

세라믹 PCB는 열 관리가 중요한 응용 분야에서 뛰어납니다. 다음은 기존 PCB보다 성능이 뛰어난 이유입니다.
a. 열 경로: 세라믹 기판은 직접적인 열 전도체 역할을 하여 구성 요소(예: MOSFET, LED)에서 환경 또는 방열판으로 열을 전달하여 FR4 PCB에 사용되는 유기 접착제의 열 저항을 우회합니다.
b. 전기 절연: 세라믹은 고전압(최대 10kV)에서도 트레이드 간의 전류 누설을 방지하여 전력 전자 장치에 안전합니다.

c. 기계적 안정성: 열팽창 계수(CTE)가 낮아 온도 변화 시 뒤틀림을 최소화하여 솔더 조인트 및 구성 요소에 가해지는 스트레스를 줄입니다.
세라믹 PCB의 핵심 장점
세라믹 PCB는 까다로운 응용 분야에서 대체할 수 없는 일련의 이점을 제공합니다.
1. 우수한 열 관리

열은 전자 부품의 적입니다. 과도한 열은 수명과 성능을 저하시킵니다. 세라믹 PCB는 다음과 같은 방법으로 이를 해결합니다.
a. 높은 열 전도성: 알루미나(20~30 W/m·K)는 FR4(0.3~0.5 W/m·K)보다 50배 더 나은 열을 전도합니다. AlN(180~200 W/m·K)은 알루미늄(205 W/m·K)과 같은 금속의 전도성에 근접하여 훨씬 더 나은 성능을 발휘합니다.

b. 직접적인 열 방출: 구리 트레이스는 세라믹 기판에 직접 결합되어 FR4 PCB의 에폭시 층의 열 저항을 제거합니다.

예: 알루미나 PCB를 사용하는 100W LED 모듈은 FR4에서 동일한 설계를 사용할 때보다 30°C 더 시원하게 작동하여 LED 수명을 5만 시간에서 10만 시간으로 연장합니다.
2. 고온 저항성

세라믹 PCB는 유기 기판이 고장나는 뜨거운 환경에서 번성합니다.
a. 연속 작동: 알루미나 PCB는 250°C에서 안정적으로 작동합니다. AlN 및 SiC 버전은 300°C 이상을 처리합니다(엔진 구획 및 산업용 용광로에 이상적).

b. 열 사이클링: -55°C에서 250°C 사이에서 1,000회 이상의 사이클을 층간 분리 없이 견딥니다. 이는 FR4 PCB보다 10배 더 많습니다.테스트 데이터: AlN을 사용하는 자동차 센서 PCB는 -40°C에서 150°C까지 2,000 사이클을 견디며(후드 조건 시뮬레이션) 전기적 고장이 없었지만, FR4 PCB는 200 사이클에서 고장났습니다.

3. 우수한 전기적 특성
고주파 및 고전압 설계의 경우 세라믹 PCB는 타의 추종을 불허하는 성능을 제공합니다.

a. 낮은 신호 손실: 세라믹은 낮은 유전 손실(Df <0.001 for AlN at 1GHz)을 가지므로 5G 및 레이더 시스템에서 신호 감쇠를 줄입니다.b. 높은 절연: 유전 강도 >20kV/mm는 EV 배터리 관리 시스템(BMS)과 같은 고전압 응용 분야에서 아킹을 방지합니다.
c. 안정적인 Dk: 유전 상수(Dk)는 온도 및 주파수에 따라 <5%로 변동하여 고속 설계에서 일관된 임피던스를 보장합니다.
4. 화학적 및 환경적 저항성세라믹 PCB는 부식, 습기 및 화학 물질에 저항합니다. 이는 가혹한 환경에 중요합니다.

a. 수분 흡수: <0.1%(FR4의 경우 0.5~0.8%)로 습하거나 실외 응용 분야에서 단락을 방지합니다.
b. 화학적 불활성: 오일, 용제 및 산의 영향을 받지 않아 산업 및 해양 전자 제품에 이상적입니다.

c. 방사선 경도: SiC 세라믹 PCB는 이온화 방사선에 의해 저하되는 FR4와 달리 핵 및 항공우주 환경에서 방사선을 견딥니다.세라믹 PCB의 제조 공정
세라믹 PCB는 구리를 단단하고 깨지기 쉬운 세라믹 기판에 결합하기 위해 특수 제조 기술이 필요합니다.
1. 직접 접합 구리(DBC)

DBC는 고출력 세라믹 PCB에 가장 일반적인 방법입니다.
a. 공정: 얇은 구리 호일(0.1~0.5mm)을 1,065~1,083°C(구리의 융점)에서 알루미나 또는 AlN에 접합합니다. 용광로의 산소는 세라믹과 융합되는 얇은 산화 구리층을 형성합니다.
b. 장점: 우수한 열 전도성을 가진 강력하고 낮은 저항 결합을 생성합니다.
c. 제한 사항: 평평한 기판에서만 작동하며 복잡한 모양에는 적합하지 않습니다.

2. 활성 금속 브레이징(AMB)
AMB는 고온, 고신뢰성 응용 분야에 사용됩니다.
a. 공정: 구리는 800~900°C에서 브레이징 합금(예: Ag-Cu-Ti)을 사용하여 세라믹에 접합됩니다. 합금의 티타늄은 세라믹과 반응하여 강력한 화학적 결합을 형성합니다.

b. 장점: AlN 및 SiC 세라믹에서 작동하며 DBC보다 높은 온도를 처리합니다.
c. 제한 사항: 브레이징 재료로 인해 DBC보다 비쌉니다.

3. 후막 기술
저비용, 저전력 세라믹 PCB(예: 센서)에 사용됩니다.
a. 공정: 구리, 은 또는 금의 페이스트를 세라믹에 스크린 인쇄한 다음 800~1,000°C에서 소성하여 전도성 트레이스를 형성합니다.

b. 장점: 복잡한 패턴과 여러 레이어를 지원합니다.
c. 제한 사항: DBC/AMB보다 낮은 열 전도성; 트레이스가 더 두꺼워(50~100μm) 고주파 성능을 제한합니다.

4. 레이저 직접 구조화(LDS)
3D 세라믹 PCB(예: 곡선 센서)의 경우:
a. 공정: 레이저가 세라믹 표면을 활성화하여 금속 도금(구리 또는 니켈)을 유치하는 패턴을 생성합니다.

b. 장점: 복잡한 세라믹 모양에 3D 회로 설계를 가능하게 합니다.
c. 제한 사항: 높은 장비 비용; 얇은 구리층으로 제한됩니다.

세라믹 PCB의 응용
세라믹 PCB는 스트레스 하에서 성능이 타협할 수 없는 산업에서 사용됩니다.
1. 전기 자동차(EV) 및 하이브리드 EV

트랙션 인버터: AlN 세라믹 PCB는 EV 인버터에서 800V/500A 전류를 관리하여 방열판 없이 SiC MOSFET에서 열을 발산합니다.
배터리 관리 시스템(BMS): 알루미나 PCB는 배터리 팩에서 셀 전압 및 온도를 모니터링하여 125°C의 연속 작동을 견딥니다.
충전 모듈: 고전압 세라믹 PCB는 고전력 밀도를 처리하여 급속 충전 시스템(350kW+)을 가능하게 합니다.
2. 산업 및 전력 전자 장치
모터 드라이브: 세라믹 PCB는 가변 주파수 드라이브(VFD)의 열을 견디며 산업용 모터(100kW+)를 제어합니다.
태양광 인버터: 태양광 패널에서 DC를 AC로 변환하며, AlN PCB를 사용하여 60°C 이상의 주변 온도를 관리합니다.

용접 장비: FR4가 저하되는 아크 용접기에서 고전류(100A+) 및 전압 스파이크를 처리합니다.
3. LED 조명 및 디스플레이 기술
고출력 LED: 가로등 및 경기장 조명의 알루미나 PCB는 100W+ LED에서 열을 발산하여 루멘 감소를 방지합니다.
UV LED: 세라믹 PCB는 시간이 지남에 따라 부서지기 쉬워지는 FR4와 달리 UV 저항성이 있습니다.

4. 항공우주 및 방위
항공 전자 장치: 레이더 시스템의 SiC 세라믹 PCB는 항공기에서 -55°C에서 150°C의 온도를 견딥니다.
미사일 유도: 방사선 경화 세라믹 PCB는 재진입 및 전투의 극한 조건을 견딥니다.

5. 의료 기기
영상 장비: X선 및 MRI 기기는 방사선 저항성 및 열 안정성을 위해 세라믹 PCB를 사용합니다.
레이저 치료 장치: 고출력 레이저 다이오드(50W+)를 처리하여 치료 중 정확한 온도 제어를 보장합니다.

세라믹 PCB vs. FR4: 성능 비교
메트릭
세라믹 PCB(AlN)

FR4 PCB

A: 대부분의 세라믹 PCB는 단단하지만, 지르코니아 기반 세라믹은 웨어러블 센서 및 곡선형 장치에 대해 제한된 유연성(굽힘 반경 >50mm)을 제공합니다.

Q2: 세라믹 PCB를 수리할 수 있습니까?
A: 아니요. 세라믹은 부서지기 쉽고 손상된 트레이스 또는 기판은 쉽게 수리할 수 없습니다. 따라서 제조 중 엄격한 테스트가 중요합니다.
Q3: 세라믹 PCB의 최소 트레이스 너비는 얼마입니까?

A: DBC 및 AMB 공정은 50μm 트레이스를 지원하는 반면, 후막 기술은 100μm+로 제한됩니다. 레이저 구조화는 고주파 설계를 위해 25μm 트레이스를 달성할 수 있습니다.
Q4: 세라믹 PCB는 진동을 어떻게 처리합니까?

A: 세라믹은 부서지기 쉽지만 낮은 CTE는 솔더 조인트에 가해지는 스트레스를 줄여 열 사이클링 환경(예: 자동차)에서 FR4보다 진동 저항성이 더 높습니다.
Q5: 세라믹 PCB는 친환경적입니까?

A: 예. 세라믹은 불활성이며 재활용이 가능하며 DBC/AMB 공정은 FR4의 에폭시 수지와 달리 최소한의 유해 물질을 사용합니다.
결론

세라믹 PCB는 EV 인버터에서 항공우주 센서에 이르기까지 극한 조건에서 작동하는 전자 제품에 필수적입니다. 열을 발산하고, 고온을 견디며, 환경적 손상에 저항하는 능력은 고출력, 고신뢰성 응용 분야에 대한 유일한 선택입니다.
세라믹 PCB는 초기 비용이 더 많이 들지만, 성능상의 이점으로 인해 방열판을 제거하고, 구성 요소 수명을 연장하며, 고장을 최소화하여 시스템 비용을 절감합니다. EV 및 재생 에너지와 같은 산업에서 더 높은 전력 밀도를 요구함에 따라 세라믹 PCB는 차세대 기술을 가능하게 하는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다.

엔지니어와 제조업체의 경우, 세라믹 PCB 전문업체와 협력하면 특정 성능 요구 사항을 충족하기 위해 적절한 재료(알루미나, AlN, SiC) 및 제조 공정(DBC, AMB)에 액세스할 수 있습니다. 세라믹 PCB를 통해 고온, 고출력 전자 제품의 미래는 단순히 가능한 것이 아니라 신뢰할 수 있습니다.