세라믹 PCB: 고전력 전자제품 에 대한 비교 할 수 없는 열 분산 이점

전자 장치가 더 높은 전력 밀도와 더 작은 형태 요소로 발전함에 따라 열을 관리하는 것은 PCB 설계에서 가장 중요한 도전이 되었습니다.전통적인 FR-4 및 심지어 금속 핵 PCB (MCPCB) 는 종종 고전력 LED와 같은 현대 구성 요소에 의해 생성되는 열 에너지를 분산시키는 데 어려움을 겪습니다.이것은 세라믹 PCB가 빛나는 곳입니다. 열전도 값은 기존 재료보다 10~100배나 높습니다.세라믹 기판은 열 관리를 위한 변혁적 솔루션을 제공합니다., 과열이 성능을 손상시키거나 수명을 단축시킬 수있는 응용 프로그램에서 신뢰할 수있는 작동을 가능하게합니다.
이 가이드에서는 세라믹 PCB가 어떻게 더 나은 열 방출을 달성하는지 탐구하고, 대체 기판과의 성능을 비교합니다.그리고 그 특유의 특성으로 가장 많은 이익을 얻는 산업을 강조합니다..

현대 전자제품 에서 열 분산 이 중요 한 이유
열은 전자 신뢰성의 적입니다. 과도한 열 에너지는
1부품 분해: 반도체, LED 및 콘덴세터는 지정 온도 이상에서 작동 할 때 수명 수명이 감소합니다. 예를 들어,10°C의 단절 온도 상승이 LED의 수명을 50% 줄일 수 있습니다..
2성능 손실: MOSFET 및 전압 조절기와 같은 고전력 장치는 온도가 상승함에 따라 저항이 증가하고 효율이 감소합니다.
3안전 위험: 통제되지 않은 열은 열 도출, 화재 위험 또는 주변 구성 요소에 손상을 줄 수 있습니다.
전기차 (EV) 인버터, 산업용 모터 드라이브 및 5G 기지 스테이션과 같은 고전력 애플리케이션에서 효과적 인 열 분 dissipation은 설계 고려 사항 만이 아닙니다.그것은 중요한 요구 사항입니다..

세라믹 PCB 가 어떻게 더 나은 열 분산 을 달성 하는가
세라믹 PCB는 비 유기적인 세라믹 물질을 기판으로 사용하여 FR-4 에포시스 같은 전통적인 유기 물질을 대체합니다. 그들의 예외적인 열 성능은 세 가지 주요 특성에서 비롯됩니다.
1높은 열전도성
열전도 (W/m·K로 측정) 는 열을 전달하는 물질의 능력을 설명합니다. 세라믹 기판은 다른 일반적인 PCB 재료를 모두 능가합니다.

특히 알루미늄 나이트라이드 (AlN) 및 실리콘 카비드 (SiC) 세라믹은 열전도에서 알루미늄 (205 W/m·K) 와 같은 금속과 경쟁하여 열이 뜨거운 구성 요소에서 빠르게 퍼질 수 있습니다.

2낮은 열 팽창 (CTE)
열 팽창 계수 (CTE) 는 가열 시 물질이 얼마나 팽창하는지 측정합니다.세라믹 기판은 구리 (17 ppm/°C) 와 실리콘 (3 ppm/°C) 같은 반도체 물질과 거의 일치하는 CTE 값을 가지고 있습니다.이 방법은 층 간 열 스트레스를 최소화하여 탈층화를 방지하고 반복적인 열주기에서도 장기적인 신뢰성을 보장합니다.
예를 들어, 알루미나 세라믹은 CTE가 7?? 8 ppm/°C이며, FR-4 (16?? 20 ppm/°C) 보다 구리에 훨씬 가깝다. 이러한 호환성은 고전력 장치에서 용접 관절 피로의 위험을 줄인다.

3전기 단열
금속 기판에서 구리 흔적을 격리하기 위해 다이 일렉트릭 층을 필요로하는 금속 핵 PCB와 달리 세라믹은 자연적으로 전기 단열 (용량 저항성 > 1014 Ω · cm) 이다.이것은 다이 일렉트릭 물질에 의해 형성 된 열 장벽을 제거, 구리 흔적에서 세라믹 기판으로 직접 열 전달을 허용합니다.

세라믹 PCB 제조 공정
세라믹 PCB는 구리를 세라믹 기판에 결합하는 전문 기술을 사용하여 생산되며 각각은 독특한 장점이 있습니다.
1직결된 구리 (DBC)
프로세스: 구리 포일은 고온 (1,065~1,083°C) 에서 제어 된 대기 속에서 세라믹에 결합됩니다.구리 는 산소 와 반응 하여 얇은 구리 산화물 층 을 형성 하고, 도자기 표면 과 융합 된다.
장점: 우수한 열 전도성 (중간 접착 층이 없습니다) 을 가진 튼튼하고 공백 없는 결합을 만듭니다.
가장 적합합니다: 전력 전자기기용 알루미나 및 AlN PCB의 대용량 생산.

2액티브 메탈 브레이징 (AMB)
공정: 연금 합금 (예를 들어, 구리-은-티타늄) 은 구리와 세라믹 사이에 적용되고, 800~900°C까지 가열됩니다. 합금 내의 티타늄은 세라믹과 반응하여 강한 결합을 형성합니다.
장점: 더 넓은 범위의 세라믹 (SiC를 포함하여) 과 함께 작동하며 높은 전류 응용 프로그램에 더 두꺼운 구리 층 ( 최대 1mm) 을 허용합니다.
가장 적합합니다: 항공우주 및 국방용 고전력 PCB

3두꺼운 필름 기술
공정: 전도성 페이스트 (은자, 구리) 는 세라믹 기판에 스크린 프린팅되고 850~950°C에서 가열하여 전도성 흔적을 형성합니다.
장점: 복잡한 고밀도 디자인을 가능케 하고, 세밀한 특징 크기를 갖는다 (50~100μm 라인/공간).
가장 적합합니다: 센서 PCB, 마이크로 웨브 부품 및 소형 전력 모듈.

열 분산 외의 세라믹 PCB의 주요 장점
열 분산이 주요 강점이지만 세라믹 PCB는 까다로운 응용 분야에서 필수적인 추가 장점을 제공합니다.
1고온 저항성
세라믹은 FR-4 (130~170°C) 또는 고Tg 플라스틱 (200~250°C) 의 한도를 훨씬 뛰어넘는 극한 온도 (알루미나 알루미나 1000°C까지) 에서 구조적 무결성을 유지합니다.이 때문에:
하부 자동차 전자 (150°C+)
산업용 오븐과 오븐
항공우주 엔진 모니터링 시스템

2화학물질 및 경식 저항성
세라믹은 대부분의 화학물질, 용매 및 습도에 무활성이며, 혹독한 환경에서 유기 기판을 능가합니다.
해양 전자제품 (염수 노출)
화학 처리 장비
살균을 필요로 하는 의료기기 (자동클래브, EtO 가스)

3. 높은 주파수에서 전기 성능
세라믹 기판은 낮은 변압성 상수 (Dk = 알루미나에 8 ∼10, AlN에 8 ∼9) 와 낮은 분산 요인 (Df < 0.001) 를 가지고 있으며, 고주파 응용 프로그램 (> 10GHz) 에서 신호 손실을 최소화합니다.이것은 FR-4 (Dk = 4) 보다 우월합니다..244.8, Df = 0.02) 를 위해:
5G와 6G RF 모듈
레이더 시스템
마이크로파 통신 장비

4기계적 강도
세라믹은 딱딱하고 차원적으로 안정적이며 열 또는 기계적 스트레스에 의해 변형에 저항합니다.이 안정성은 다음과 같은 부분에서 구성 요소의 정확한 정렬을 보장합니다.
광학 시스템 (레이저 다이오드, 광섬유 송신기)
고밀도의 센서

세라믹 PCB 에서 가장 많은 이득 을 얻는 응용 분야
세라믹 PCB는 열, 신뢰성 또는 환경 저항성이 중요한 응용 분야에서 우수합니다.
1전력전자
EV 인버터 및 변환기: 동전 배터리 전력을 모터에 대동으로 변환하여 상당한 열을 생성합니다. (100 ~ 500W). DBC 결합으로 된 AlN 세라믹 PCB는 MCPCB보다 5 ~ 10 배 더 빨리 열을 분산합니다.더 작은, 더 효율적인 디자인.
태양광 인버터: 최소한의 에너지 손실로 높은 전류 (50~100A) 를 처리합니다. 세라믹 PCB는 열 저항을 감소시킵니다.인버터 효율을 1~2% 향상시키는데 큰 규모의 태양광 설비에서 상당한 이득을 얻었습니다..

2LED 및 조명 시스템
고전력 LED (> 100W): 경기장 프로파일러, 산업용 고구역 장착장 및 자외선 완화 시스템은 강렬한 열을 발생시킵니다. 알루미나 세라믹 PCB는 접합 온도를 <100 °C로 유지합니다.LED의 수명을 100까지 연장1,000+시간
자동차 헤드라이트: 후드 아래 온도 및 진동에 견딜 수 있습니다. 세라믹 PCB는 하로겐 대체 및 고급 매트릭스 LED 시스템 모두에서 일관된 성능을 보장합니다.

3항공우주 및 국방
레이더 모듈: 높은 주파수 (28~40GHz) 에서 긴 허용량으로 작동합니다. SiC 세라믹 PCB는 고전력 증폭기에서 열을 분산하는 동안 신호 무결성을 유지합니다.
미사일 가이드 시스템: 극한 온도 (-55 ° C ~ 150 ° C) 및 기계 충격에 견딜 수 있습니다. 세라믹 PCB는 임무 중요 응용 프로그램에서 신뢰성을 보장합니다.

4의료기기
레이저 치료 장비: 고전력 레이저 (50~200W) 는 빔 안정성을 유지하기 위해 정확한 열 관리가 필요합니다. 세라믹 PCB는 컴팩트 휴대용 장치에서 과열을 방지합니다.
임플란트 가능한 장치: 임플란트에서 직접 사용되지 않지만 외부 전원 모듈 (예를 들어 심장이 움직이는 장치) 의 세라믹 PCB는 생물 호환성 및 장기 신뢰성을 제공합니다.

비용 고려: 세라믹 PCB 를 선택할 때
세라믹 PCB는 전통적인 기판보다 비싸고, 재료와 제조 방법에 따라 비용이 달라집니다.

이는 FR-4보다 5~10배, MCPCB보다 2~3배의 프리미엄을 나타내고 있지만, 소유비용은 높은 신뢰성 애플리케이션에 대한 투자를 정당화합니다.

예를 들어:
a.부품 고장율 감소, 보증 및 교체 비용이 낮습니다.
b.더 작은 형태 요인 (최고의 열 분산으로 가능) 은 전체 시스템 비용을 줄입니다.
c.전력 시스템의 효율성 향상으로 제품 수명 주기에 걸쳐 에너지 소비가 감소합니다.

세라믹 PCB 기술 의 미래 경향
재료와 제조의 발전은 세라믹 PCB의 능력과 저렴성을 확장시키고 있습니다.
1더 얇은 기판: 50~100μm 두께의 세라믹은 착용 가능한 전자제품과 곡선 표면에 유연한 세라믹 PCB를 가능하게합니다.
2하이브리드 디자인: 금속 코어 또는 유연한 폴리마이드와 세라믹을 결합하면 열 성능과 비용과 유연성을 균형 잡는 PCB를 만듭니다.
4.3D 프린팅: 세라믹 구조의 첨가 제조는 PCB에 직접 통합되는 복잡한, 응용 프로그램에 특화된 열 방출기를 허용합니다.
5낮은 비용 AlN: 새로운 합금 기술은 알루미늄 질소 생산 비용을 절감하여 중량 애플리케이션에 알루미나와 경쟁력을 높입니다.

FAQ
질문: 세라믹 PCB는 깨지기 쉽나요?
A: 예, 세라믹은 본질적으로 부서지기 쉽지만, 적절한 설계 (예를 들어, 날카로운 모서리를 피하고, 기계적 지지용으로 두꺼운 기판을 사용) 은 깨질 위험을 최소화합니다.첨단 제조 기술 이 강도 를 향상 시킨다, 일부 세라믹 복합재료는 FR-4와 비교할 수 있는 충격 저항을 제공합니다.

Q: 유연 PCB는 납 없는 용접과 함께 사용할 수 있습니까?
A: 절대적으로요. 세라믹 기판은 납 없는 용접에 필요한 더 높은 온도 (260~280°C) 를 견딜 수 있습니다.

Q: 세라믹 PCB의 최대 구리 두께는 무엇입니까?
A: AMB 기술을 사용하여 1mm 두께까지의 구리 층이 세라믹에 접착 될 수 있으며, 고전류 (100A+) 응용에 적합합니다. 표준 DBC 프로세스는 35~300μm 구리를 지원합니다.

Q: 고 진동 환경에서는 세라믹 PCB가 어떻게 작동할까요?
A: 적절한 장착 (예를 들어 충격 흡수 가스켓을 사용하는) 을 가진 세라믹 PCB는 자동차 및 항공기 표준을 충족하는 진동 테스트 (최고 20G) 에서 잘 수행합니다.그들의 낮은 CTE는 FR-4에 비해 용접 관절 피로를 줄입니다..

Q: 환경 친화적인 세라믹 PCB 옵션이 있나요?
A: 예, 많은 세라믹 (알루미나, AlN) 은 무활성이며 재활용 가능하며, 제조업체는 화학 물질 사용을 줄이기 위해 두꺼운 필름 처리를 위해 수 기반의 페이스트를 개발하고 있습니다.

결론
세라믹 PCB는 고전력 전자제품의 열 방출의 금판을 나타냅니다. 열 전도성, 온도 저항성,그리고 전통적인 기판이 대응할 수 없는 신뢰성더 높은 비용으로 저전력 소비자 장치의 광범위한 채택을 제한하지만, 그들의 성능 장점은 열 관리가 안전에 직접적으로 영향을 미치는 응용 프로그램에서 필수적입니다.효율성, 그리고 수명.
전자제품이 계속 축소되고 더 많은 전력을 요구함에 따라 세라믹 PCB는 전기차에서 5G 인프라에 이르기까지 차세대 기술을 가능하게 하는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다..엔지니어와 제조업체의 능력에 대한 이해는 열 관리 및 신뢰성 혁신을 해제하는 열쇠입니다.
핵심 교훈: 세라믹 PCB는 전통적인 기판에 대한 고급 대안이 아닙니다.그들은 현대 전자제품에서 가장 어려운 열 분산 문제를 해결하는 변혁 기술입니다., 더 작고 더 강력하고 더 오래 사용할 수 있는 장치를 가능하게 합니다.