电力电子陶瓷基板在FR-4中，究竟有哪些优势？

如今传统绿色电路板的玻璃化转变温度(Tg)可低至130℃，这是电力电子应用中的一个问题，在这些应用中，高组件密度和小空间的组合可能会推高温度。为了避免过早失效，答案是采用陶瓷基板。那么下面就来解答这个问题，并了解一下陶瓷的优点。

一、传统电路板的结构
在绝大多数电路板都是用FR-4制造的，它是一种廉价的环氧树脂浸渍玻璃纤维材料，适用于要求不高的低功率应用。这也是许多工程师在开发新电路时的首选，不幸的是FR-4具有限制其在电力电子应用中使用的三个特性：
1、导热系数低；
2、低热膨胀系数(CTE)；
3、低Tg（一般在130至170℃范围内）；

导电性差会导致板上出现热点，低CTE会导致电路板和铜层以及走线、焊点和组件之间的差异膨胀，低Tg意味着板材可以在相对较低的温度下软化和变形。

FR-4板上的金属结构改善了这个问题，但它们也占用了空间。散热器和散热片可以散热，但是需要气流。另外，在高功率组件和散热器之间建立良好的结合存在问题。最后很明显可靠的电力电子设备需要替代FR-4板，那时是需要探索陶瓷基板的时候了。

二、陶瓷基板的种类
在与FR-4一样，陶瓷也是良好的电绝缘体。与FR-4不同的是，陶瓷可以制成具有与铝散热器相媲美的导热性。而有许多不同类型的陶瓷，但特别是其中三种作为基材脱颖而出，它们是氧化铝（AI2O3）、氮化铝（AIN）和氧化铍（BeO）。对于每一个，迹线都是通过将导电金属浆丝网印刷到陶瓷上形成的，然后将其烘烤或烤制。

厚膜陶瓷PCB使用金、银或更常见的铜作为导体，并在略低于1000℃的氮气气氛中烘烤（氮气气氛可防止氧化）。替代制造方法是低温共烧陶瓷（LTCC）PCB工艺和高温共烧陶瓷（HTCC）PCB工艺，在LTCC中迹线通常是金，而对于HTCC则使用钨和钼。与FR-4一样，可以创建多层陶瓷PCB。

三、陶瓷基板相对于FR-4的优势
从FR-4切换到PCB陶瓷基板的主要好处是陶瓷如何处理高温，上面提到的陶瓷基板是出色的热导体，这就意味着它们在将热量从电路板设备中带走并进入散热器方面做的更好，这也是防止了局部热点的形成。为了比较，电导率值如下：
FR-4 0.8~1.1W/mk、氧化铝28~35W/mk、氮化铝140~180W/mk、氧化铍170~280W/mk

第二个好处是陶瓷基板的CTE与基板上的金属迹线和焊接到基板上的组件的CTE更接近，这有助于最大限度地减少，可能会导致元件和焊点断裂的应力。

底线是这样的，因为陶瓷基板将热量从热源带走方面做得更好，在电力电子应用中，所以制造出比FR-4更可靠的PCB基板材料。并允许设计人员实现更高的功率密度设计，然而陶瓷还有另外两个优点。

在高频电力电子应用中，FR-4板在走线和组件非常靠近的地方可能会受到寄生电容的影响。这会阻碍高频响应，并且随着电路板变得越来越密集，这正成为一个更大的问题，陶瓷基板不会遇到这个问题。就像是陶瓷比FR-4更能保持水分，FR-4吸收水分，这在船舶和车辆电力电子应用中可能是一个重要问题。相比之下，陶瓷基板则没有这样的问题。

四、陶瓷基板高温下的耐用性
FR-4长期以来一直是电路板的首选材料，它在许多应用中表现良好，但受到高温和湿度的挑战。在许多电力电子应用会产生大量热量，使用FR-4基板意味着要冒长期可靠性的风险。要求陶瓷基板并保护你的设备在高功率应用中免于过早失效，在大功率器件应用中使用陶瓷基板意味着更高的可靠性和更小的产品占位面积。

【文章来源：展至科技】