电路板被很多人誉为电子产品之母,它是计算机、手机等消费电子产品的关键部件,在医疗、航空、新能源、汽车等行业有着广泛应用。近年来,电动汽车、电力机车以及半导体照明、航空航天、卫星通信等进入高速发展阶段,电子器件向大功率化,高频化、集成化方向发展,其元器件在工作过程中会产生大量的热量,这些热量如不能及时散去将影响芯片的工作效率,甚至造成半导体器件损坏而失效——对电子器件而言,通常温度每升高10℃,器件有效寿命就降低30%-50%,因此,为保证电子器件工作过程的稳定性,对电路板的散热能力提出了更高的要求。目前市场上的PCB从材料大类上来分,主要可以分为三种,普通PCB基板,金属基板,陶瓷基板。本文将重点讨论陶瓷基板、普通PCB基板、金属基板这三种常见的电子基板,比较他们的优劣,并分析三种基板各自的应用领域。
陶瓷基板简介
陶瓷基板是一种采用陶瓷材料制成的电子基板,属于无机材料,通常以氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)和氮化硅(Si3N4)等为主要成分,陶瓷基板具有良好的热导性、高频性和高温稳定性等特点,广泛应用于大功率、高频和高温等苛刻环境下的电子设备。
斯利通陶瓷电路板
普通PCB简介
PCB板(Printed circuit board),是指印刷电路板,是一种以绝缘基材料为基础,上面分布着导电图案的电子基板,根据层数的不同,PCB板可以分为单面板、双面板和多层板,PCB板具有良好的设计灵活性,成本低和制作简单等特点。是目前电子产业中最常用的基本类型。
金属基板简介
金属基板是由电路层(铜箔),绝缘介质层和金属底板三部分构成,其中金属基材作为底板,表面上附上绝缘介质层,与基材上面的铜箔共同构成导通的线路,具有散热性和机械加工性能佳的特点,目前应用最广泛的是是铝基板,铜基板。
陶瓷基板、金属基板和普通PCB板的区别与优劣
1.材料与热导性能
斯利通陶瓷基板采用陶瓷材料制成,是无机材料,热导率高,对热量的传导和散热能力强。氧化铝(Al2O3)的热导率为25-35w/m.k,氮化铝(AlN)的热导率为170-230w/m.k,氮化硅(Si3N4)的热导率为80-100w/m.k。
普通PCB的基材为绝缘材料,热导率低,热量的传导和散热能力较弱。FR-4的热导率为0.3-0.4 w/m.k.
金属基板的基材为金属材料,热导率较高,铝基板的热导率为0.7-3w/m.k。铜基板的热导率为300-400w/m.k,主要用于汽车前灯,尾灯,无人机,但铜的价格昂贵,成本高,绝缘性差.
2.电气性能和高频性
陶瓷基板具有较高的介电常数和介电损耗,使其在高频电路中具有优异的电气性能。氧化铝(Al2O3)的介电常数:9-10,介质损耗:3-10;氮化铝(AlN)的介电常数:8-10,介质损耗:3-10;氮化硅(Si3N4)的介电常数:8-10,介质损耗:0.001-0.1。
普通PCB板的介电常数和介质损耗相对较低,导致在高频电路中电气性能较差,PCB的介电常数:4.0-5.0,介质损耗:0.02--0.04.
金属基板的介电常数和介质损耗也相对较低,在高频电路中也具有较好的电器性能,铜基板的介电常数:3.0-6.0,介质损耗:0.01--0.03 铝基板的介电常数:2.5--6.0,介质损耗:0.01--0.04
3.机械强度与可靠性
陶瓷基板具有较高的机械强度和抗弯曲性,同时在高温环境下和恶劣环境下有较高的可靠性和稳定性,氧化铝(Al2O3)的机械强度:300Mpa-350Mpa,氮化铝(AlN)的机械强度:300Mpa-400Mpa,氮化硅(Si3N4)的机械强度600Mpa-800Mpa.
普通PCB的机械强度较低,容易受到温度和湿度等因素的影响,导致其在高温和潮湿的环境下可靠性降低。普通PCB的机械强度8Mpa-500Mpa,:
金属基板的机械强度较高,电子产品在工作时具有较高的散热性和电磁屏蔽性,铜基板的机械强度:600-800Mpa,铝基板的机械强度:200Mpa-300Mpa.
4.成本与设计的灵活性
普通PCB基板在制作工艺和设计灵活性方面具有明显优势,由于其基材为绝缘材料,制作成本较低,并且可根据需求设计各种层数的印刷电路板;
铝基板的制作成本比较低,可以改善电路层面的散热。铜基板的导热性能很强,但铜的价格较贵,导致铜基板的制作成本较高,金属基板的绝缘性能很差,设计也有一定的局限性;
陶瓷基板相对普通PCB 、铝基板的制作成本比较高,设计的灵活性也相对较低。
由于陶瓷基板,金属基板和普通PCB板各自的特点,导致他们在应用领域有一定的差异。
陶瓷基板由于其优异的热导性,高频特性和高温稳定性,更适用于大功率,高频和高温等苛刻环境下的电子设备,如通信设备,汽车电子,激光器,医疗设备等领域。同时,陶瓷基板在高端LED照明,太阳能光伏等产业有广泛应用。
金属基板有一定的导(散)热,电磁屏蔽,尺寸稳定等性能,近年来,在通信电源,汽车,摩托车,电动机,电器,办公自动化等领域得到了广泛的应用
普通PCB板因其成本低,设计灵活性好,适用于各类电子设备的基板,特别是对成本和设计灵活性要求较高的消费电子产品,如:手机,平板电脑,家用电器等领域。此外,PCB板在工业控制,航空航天等领域也有一定的应用。
陶瓷基板、金属基板与普通PCB板分别代表了三种不同类型的电子基板,各自具有一定的优劣。陶瓷基板在热导性,高频性和高温稳定性方面表现出色,适用于大功率和高频等苛刻环境下的电子设备。金属基板具有一定的导热性能,铝基板的导热率、成本较低,铜基板的热导率高,但铜的价格较贵,成本较高,绝缘性很差,需要做绝缘层处理,适用于一般导(散)热,电磁屏蔽,尺寸稳定等性能的电子产品。而PCB板以其成本低,设计灵活性好等优点,在消费电子领域应用广泛。斯利通建议在实际应用中需要根据产品的性能需求,使用环境,成本预算和设计要求等因素,合理选择陶瓷封装基板、金属基板或普通PCB板,以满足不同场景的需求。
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