電力電子陶瓷基板在FR-4中，究竟有哪些優(yōu)勢？

如今傳統(tǒng)綠色電路板的玻璃化轉變溫度(Tg)可低至130℃，這是電力電子應用中的一個問題，在這些應用中，高組件密度和小空間的組合可能會推高溫度。為了避免過早失效，答案是采用陶瓷基板。那么下面就來解答這個問題，并了解一下陶瓷的優(yōu)點。

一、傳統(tǒng)電路板的結構
在絕大多數(shù)電路板都是用FR-4制造的，它是一種廉價的環(huán)氧樹脂浸漬玻璃纖維材料，適用于要求不高的低功率應用。這也是許多工程師在開發(fā)新電路時的首選，不幸的是FR-4具有限制其在電力電子應用中使用的三個特性：
1、導熱系數(shù)低；
2、低熱膨脹系數(shù)(CTE)；
3、低Tg（一般在130至170℃范圍內(nèi)）；

導電性差會導致板上出現(xiàn)熱點，低CTE會導致電路板和銅層以及走線、焊點和組件之間的差異膨脹，低Tg意味著板材可以在相對較低的溫度下軟化和變形。

FR-4板上的金屬結構改善了這個問題，但它們也占用了空間。散熱器和散熱片可以散熱，但是需要氣流。另外，在高功率組件和散熱器之間建立良好的結合存在問題。最后很明顯可靠的電力電子設備需要替代FR-4板，那時是需要探索陶瓷基板的時候了。

二、陶瓷基板的種類
在與FR-4一樣，陶瓷也是良好的電絕緣體。與FR-4不同的是，陶瓷可以制成具有與鋁散熱器相媲美的導熱性。而有許多不同類型的陶瓷，但特別是其中三種作為基材脫穎而出，它們是氧化鋁（AI2O3）、氮化鋁（AIN）和氧化鈹（BeO）。對于每一個，跡線都是通過將導電金屬漿絲網(wǎng)印刷到陶瓷上形成的，然后將其烘烤或烤制。

厚膜陶瓷PCB使用金、銀或更常見的銅作為導體，并在略低于1000℃的氮氣氣氛中烘烤（氮氣氣氛可防止氧化）。替代制造方法是低溫共燒陶瓷（LTCC）PCB工藝和高溫共燒陶瓷（HTCC）PCB工藝，在LTCC中跡線通常是金，而對于HTCC則使用鎢和鉬。與FR-4一樣，可以創(chuàng)建多層陶瓷PCB。

三、陶瓷基板相對于FR-4的優(yōu)勢
從FR-4切換到PCB陶瓷基板的主要好處是陶瓷如何處理高溫，上面提到的陶瓷基板是出色的熱導體，這就意味著它們在將熱量從電路板設備中帶走并進入散熱器方面做的更好，這也是防止了局部熱點的形成。為了比較，電導率值如下：
FR-4 0.8~1.1W/mk、氧化鋁28~35W/mk、氮化鋁140~180W/mk、氧化鈹170~280W/mk

第二個好處是陶瓷基板的CTE與基板上的金屬跡線和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，可能會導致元件和焊點斷裂的應力。

底線是這樣的，因為陶瓷基板將熱量從熱源帶走方面做得更好，在電力電子應用中，所以制造出比FR-4更可靠的PCB基板材料。并允許設計人員實現(xiàn)更高的功率密度設計，然而陶瓷還有另外兩個優(yōu)點。

在高頻電力電子應用中，F(xiàn)R-4板在走線和組件非常靠近的地方可能會受到寄生電容的影響。這會阻礙高頻響應，并且隨著電路板變得越來越密集，這正成為一個更大的問題，陶瓷基板不會遇到這個問題。就像是陶瓷比FR-4更能保持水分，F(xiàn)R-4吸收水分，這在船舶和車輛電力電子應用中可能是一個重要問題。相比之下，陶瓷基板則沒有這樣的問題。

四、陶瓷基板高溫下的耐用性
FR-4長期以來一直是電路板的首選材料，它在許多應用中表現(xiàn)良好，但受到高溫和濕度的挑戰(zhàn)。在許多電力電子應用會產(chǎn)生大量熱量，使用FR-4基板意味著要冒長期可靠性的風險。要求陶瓷基板并保護你的設備在高功率應用中免于過早失效，在大功率器件應用中使用陶瓷基板意味著更高的可靠性和更小的產(chǎn)品占位面積。

【文章來源：展至科技】