陶瓷 PCB：其材料、类型、优点和缺点-YUSITE

陶瓷PCB，也称为“陶瓷混合电路器件”，已成为业界电气元件的新标准。虽然这项技术最初是由陶瓷电容器引入的，但现在已用于许多不同的应用中。

陶瓷电路板制造过程中使用的陶瓷材料的特性使其耐用、可靠，是其他电子元件的绝佳替代品。它不是我们可以找到的用作家居装饰品、陶器或地板的普通陶瓷，因为这些陶瓷板是由带有金属芯的优质工业材料制成的。它们也可能被称为绿板，不是因为颜色，而是因为它们使用的有毒化学物质较少，碳足迹也比传统板小。

那么您可能会想，陶瓷基板材料 PCB 好吗？陶瓷PCB材料的优点和缺点是什么？什么时候应该使用陶瓷 PCB？在本文中，我们将探讨所有这些问题并提供答案。请继续阅读，因为这还涵盖了用于制造当今可用的不同陶瓷 PCB 类型的材料、它们的生产方式以及在哪里采购和找到陶瓷 PCB 制造商。

什么是陶瓷PCB？

陶瓷印刷电路板是一种由陶瓷材料基底或基板制成的 PCB，通常是无机电介质，而不是传统的玻璃纤维或环氧树脂基底。它是由带有金属成分的陶瓷材料薄绝缘层制成的电子电路板。

陶瓷PCB的基本组成

让我们检查一下它的基本组件。

首先是电路板的高度集成化，随着电子技术的进步，这已经成为我们无法避免的趋势。现代技术和电子产品有成百上千甚至数百万个晶体管和电阻器，这些晶体管和电阻器耦合在一个复杂的组件中，这些组件构建在一个小型硅芯片或集成电路上，广泛称为 IC。

这些集成电路需要一个底座，用于构建微小的电子材料和连接，通常称为基板。它还需要一种结构，将电路与其外部环境隔离开来，并将其变成一个紧凑而坚固的单元，称为封装。

集成电路需要基板和封装来保持其可靠性。IC 需要绝缘材料，而这两种材料就是为了这个目的。然后将这些封装安装在印刷电路板上。

陶瓷以其绝缘性能而闻名。这种先进的陶瓷材料的保护性能是其用作基板和封装的重要因素。这就是陶瓷印刷电路板或 PCB 从同类产品中脱颖而出的原因。

陶瓷PCB由于其优良的导热性和气密性，已广泛应用于电力电子、混合微电子、电子封装、多芯片模块等领域。其出色的导电性在发电等应用中至关重要，在这些应用中，大电流必须通过材料。

航空航天和汽车行业尤其适合使用这些 PCB，因为它们具有用于恶劣环境的高功率密度电路设计。

高温、高压，以及腐蚀性或振动电路条件，都适用于陶瓷 PCB 基板材料。它们用于无法使用普通 PCB 的高温应用，因为它无法承受高温。

陶瓷PCB中使用的材料有哪些？

多种陶瓷材料用于制造陶瓷 PCB。选择陶瓷材料时，需要注意的两个基本特性是 PCB 导热系数和热膨胀系数 (CTE)。

氧化铝或氧化铝 (Al2O3)、氮化铝 (AlN)、氧化铍或氧化铍 (BeO)、碳化硅 (SiC) 和氮化硼 (BN) 是属于陶瓷材料类别的基板材料的几个示例用于陶瓷PCB。这些陶瓷材料具有相当的物理和化学特性。以下是陶瓷 PCB 中使用最广泛的三种材料。

氧化铝(Al 2 O 3 )

氧化铝是一种无机化合物，又称氧化铝。它是由铝和氧制成的先进材料。它通常呈白色，但因纯度而异。颜色可以是粉红色到几乎棕色。这种化合物没有气味，呈结晶粉末状，但不溶于水。

在所有氧化物陶瓷中，α相氧化铝是最坚硬的。它的氧化铝含量高于 95%，是一种出色的电绝缘体，具有约 1 × 1014 Ω·cm 的高电阻率。常见的纯度范围为 94% 至 99%。所需的颜色、坚固性、尺寸和形状应该很容易实现。它被认为有利于工程生产，因为成分可以改变。

这种工业氧化物陶瓷具有出色的热稳定性和腐蚀稳定性、出色的机械强度和介电强度，甚至能够形成气密密封。常见的 96% 氧化铝具有 25.0 W/(m·K) 的导热性能值和 4.5 至 10.9 x 10-6/K 的 CTE。难怪它非常受欢迎，除了价格实惠和具有成本效益的价格外，还有所有这些好处。

它是陶瓷中最常用的物质，因为它在电子产品中有许多应用，包括基板和封装。当应用不需要最高水平的热性能时，这是使用的首选材料。它是目前研究最深入、特征最彻底的先进陶瓷材料之一。

氮化铝 (AIN)

氮化铝 (AIN) 是一种非氧化物半导体技术级陶瓷材料。该化合物结构为六方晶体，纯品颜色为蓝白色。氮化铝是一种合成陶瓷化合物，通常呈白色或灰色，有时也可能呈淡黄色。

目前最好的陶瓷基板材料之一是氮化铝 (AlN)。其电阻率为1012 10x Ω-m，导热系数为80200W/(m·K)，最高可达300W/(m·K)。仅凭这些特性，毫无疑问，它是最有吸引力的，也是用作 PCB 基板的最佳选择之一。

它具有电绝缘性能和低热膨胀系数 (CTE)，为 4 至 6×10-6K1（20 至 1000°C 之间），非常接近并类似于硅晶片。这种化合物的价值比氧化铝高很多，但它当然也具有更高的成本。它最适合在大电流和高温环境中使用。

氧化铍 (BeO)

氧化铍 (BeO) 或氧化铍，历史上也称为 glucina 或 glucinium oxide。顾名思义，它源自绿柱石或矿物凤梨石。它是一种呈白色的固体结晶无机化合物。

除了具有良好的电绝缘性外，它的导热系数也高于任何其他非金属[(209 to 330 W/(m·K)]，唯独金刚石例外，甚至超过了某些金属. 氧化铍在其原子之间具有刚性键，就像钻石一样。它通过这些强键以振动的形式传递热量，因此能量损失最小。

这种难熔化合物的熔点高达 2506.85 °C 至 2575 °C，沸点为 3905 °C，CTE 为 7.4 至 8.9 x 10-6/K。鉴于氧化铍的这些特殊特性，它在电子领域具有广泛的应用，是一种宝贵的资源。由于其高熔点、优异的导热性和良好的电阻，甚至其他行业也从中受益。

60 多年来，氧化铍在具有挑战性的条件和恶劣环境中展示了其出色的化学和热稳定性。BeO 用于在 PCB 暴露于高温或空间受限的高密度 PCB 的应用中提供空气或液体冷却。

陶瓷PCB的种类有哪些？

根据制造工艺，有不同类型的陶瓷 PCB。以下是目前市场上广为人知和常用的品种。

激光激活金属化 PCB 或 LAM PCB

陶瓷物质和金属在 LAM 过程中使用高能、强大的激光钻孔机电离。他们在这个过程中一起成长，因此，它创造了一种联系或深层联系。然后，它获得了更好、更光滑的表面纹理。如今，LAM 和 DPC 方法越来越流行并被使用。

直接镀铜 PCB 或 DPC PCB

这是一种先进的镀膜技术，是一种新型的陶瓷基板加工工艺，采用薄铜进行轨迹印刷和蚀刻，并电镀到陶瓷基板上。物理气相沉积 (PVD) 方法、真空和溅射创新用于制造 DPC，以在高温和高压下将铜键合到基板上。该工艺的铜厚度范围为 10um（≈ 1/3oz）至 140um（4oz）。

直接键合铜 PCB 或 DBC PCB

使用 DBC 方法，在沉积过程之前或期间将适量的氧气引入铜和陶瓷之间。当需要具有 140um (4oz)-350um (10oz) 的高铜厚度时使用此方法。

低温共烧陶瓷 PCB 或 LTCC PCB

对于这种类型，可以使用或不使用玻璃进行制造。传统方法是将陶瓷物质与玻璃材料结合，数量在 30% 到 50% 之间，以制造 LTCC PCB。将有机粘合剂掺入混合物中以正确粘合材料。一旦将混合物铺展在薄板上晾干，就会按照每一层的设计布局钻通孔。丝网印刷用于印刷电路和填充孔。850 和 900 °C 是在烤箱中完成它的温度范围。这种方法的痕迹通常是金色的。

高温共烧陶瓷 PCB 或HTCC PCB

HTCC PCB 是使用原始陶瓷基板材料从头开始构建的。在生产过程中绝不会添加玻璃材料。HTCC 和 LTCC 生产工艺之间的唯一区别是 HTCC PCB 在气态气氛中以大约 1600–1700 °C 的温度烘烤。HTCC PCB 具有如此高的共烧温度，以至于采用由钨、钼或锰等高熔点金属制成的电路迹线。在高温下，这些 PCB 可以正常工作而不会受到任何损坏，因为它们被设计为即使在恶劣的环境中也能运行。

厚膜陶瓷板

当担心氧化时，会使用这种类型的 PCB。这就是为什么在用电介质、金、银或广泛使用的铜涂覆陶瓷基底后，要在氮气气氛中将材料烘烤到高达 1000 摄氏度的原因。由于防止氧化，电容器、电阻器、导体和半导体都可以在陶瓷板上互换。其导体层厚度可达 10 至 13 微米。

陶瓷多氯联苯的优点和缺点

陶瓷 PCB 已经使用了一段时间，并且收到了很多反馈。这种类型的 PCB 有一些优点，例如它比其他类型的 PCB 更耐用。但是，陶瓷 PCB 也有一些缺点。然而，凭借陶瓷 PCB 所具有的一系列卓越品质，优势可能大于劣势。

由于陶瓷 PCB 提供的许多好处，它们通常被认为是各种应用的最佳选择。它甚至比传统的 FR4 PCB 有很多优势。陶瓷 PCB 的主要优点是它比传统 PCB 更耐热。下面，我们总结了陶瓷 PCB 的一些优点。

陶瓷PCB的优点

• 高导热性——根据使用的材料（氧化铝到氧化铍，如前所述），数值范围为 25 到 330 W/(m·K)。它远远超过 FR4 PCB，高出 20 多倍。凭借其散热能力，陶瓷性能更好，可以防止设备因高温而损坏。
• 低热膨胀系数（CTE） ——它具有牢固而突出的原子间键合，因此可以承受高温，即使在不断变化的温度下也依然坚固、稳定、稳定。
• 出色的隔热性- 陶瓷具有令人难以置信的隔热性；因此，热量将不太可能流过基板，从而防止电路板的组件受到损坏或损坏。
• 无机- 由于其无机材料，它可以工作和使用更长的时间。此外，耐化学腐蚀的能力令人印象深刻。
• 多层- 多层陶瓷 PCB 可以完成更复杂的任务。凭借其材料的韧性，可以轻松添加另一层，同时仍能保证其他组件的安全。它非常适合重型应用。
• 高频- 陶瓷 PCB 具有尺寸和热稳定性，可以处理高频。需要高频数据和电信号传输的行业，例如医疗和航空航天部门，肯定会从中受益。
• 成本效益- 与 FR4 相比，它可能并不便宜，但凭借其改进的性能和使用寿命，它肯定会持续更长时间。凭借其简单的设计和减少的制造，整体系统成本仍然低于金属芯 PCB。

陶瓷PCB的缺点

陶瓷印刷电路板 (PCB) 与其他类型的 PCB 相比具有许多优势。但是，也有一些潜在的缺点需要考虑和仔细研究。也许，他们以后可以更好。

• 处理- 陶瓷易碎易碎；因此，在组装和测试过程中需要更多的关注和特殊处理。
• 负担能力——陶瓷是一种价格合理的材料。然而，考虑到所有因素，它仍然比用于制造传统电路板的其他材料更昂贵。在这种情况下，它的成本要高一些，因为它的生产需要特殊设备。

什么时候使用陶瓷PCB最理想？

陶瓷 PCB 可用于许多应用，但并非适用于所有应用的最佳解决方案。考虑到所有因素，它们可能并不适用于所有情况。

必须了解决定陶瓷 PCB 是否适合您的项目或应用的因素。在决定是否使用陶瓷 PCB 时要考虑的一些因素是它们的成本、重量和导热性。

它们耐腐蚀，热膨胀低，并且可以制造成非常薄的层和高纵横比。因此，它们更轻且具有更好的导热性，使其成为尺寸、重量和热传递至关重要的应用的理想选择。

当需要多层板时，其高导热性能将发挥重要作用。内部电路层和表面将免受热点影响。这使得它们非常适合用于需要关注高温的应用，例如汽车或航空航天。改用陶瓷 PCB 可能会大大提高机械的可靠性，特别是那些用于军事和重型设备工业部门的可靠性。

通常，陶瓷 PCB 可能比传统 PCB 更昂贵。考虑到成本，它具有多项优势，使其成为特定应用的绝佳选择。

陶瓷 PCB 是如何制造的？

正如本文前面部分所讨论的那样，陶瓷不仅仅是一种单一材料。在制作陶瓷板时，银或金导电膏等金属可以在所有层中放置走线连接。您也可以检查上面涵盖生产的陶瓷 PCB 部分的类型。

在任何制造业中，无论是哪个行业，它总是从肯定包括陶瓷 PCB 的计划开始。下面，我们将讨论一般过程。

在哪里可以找到陶瓷PCB？

陶瓷 PCB 的来源有很多，包括线上和线下。Altium 和 Seeed Studio 等公司为电子爱好者和专业人士等提供陶瓷定制电路板。许多本地电子产品商店也出售陶瓷 PCB。

如果您正在寻找各种价格实惠的选择，您还可以从 AliExpress、Alibaba、Mouser 等在线查找制造商。全球最大的陶瓷PCB供应商是中国。这是因为中国拥有丰富的陶瓷PCB原材料供应和高科技生产能力。许多在线零售商也出售它们。不过要谨慎，并尽职调查寻找信誉良好的供应商。

一些陶瓷 PCB 散装出售，而另一些则单独出售。陶瓷PCB的价格会根据订单的大小、您想要的材料类型和件数而有所不同。如果您是在线购买，您还必须考虑运费。与往常一样，运输费用取决于包裹的重量、运输距离以及您选择的运输方式。

结论

陶瓷PCB是一种由陶瓷材料制成的电子连接器。它主要用于满足电气行业的严格要求。由于各种原因，这种印刷电路板越来越受欢迎，但主要是因为它比普通或传统电路板具有优势。它们由对温度变化、化学品和水不太敏感的材料制成，因此由于市场最近的进步，它们成为 PCB 设计人员更可行的选择。