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고성능 전자 장치에 세라믹 PCB가 첫 번째 선택인 이유는 무엇일까요?

2024-09-06보고자: SprintPCB

세라믹 PCB는 세라믹 기판 또는 세라믹 코팅 보드라고도 하며, 유리섬유나 에폭시 수지와 같은 유기 재료로 만들어진 기존 PCB와는 다릅니다. 세라믹 PCB는 산화알루미늄(Al₂O₃), 질화알루미늄(AlN) 등의 세라믹 재료로 만들어진 기판에 직접 구리박을 접합하는 DBC(Direct Bonded Copper) 공정을 통해 생산됩니다. 이 고온 소결 공정은 구리박과 세라믹 기판을 융합시켜 전기 절연성과 열전도성이 뛰어난 기판을 만듭니다. 세라믹 PCB는 기존 PCB처럼 에칭 공정을 통해 복잡한 회로 패턴을 형성하고 전류 전달 능력이 우수하여 고전력 전자 제품에 이상적입니다.

일반적인 세라믹 기판 재료

세라믹 PCB의 성능은 사용되는 기판 소재에 따라 크게 달라집니다. 다양한 세라믹 소재는 열적, 전기적, 기계적 특성 측면에서 각기 다른 특성을 보입니다. 다음은 몇 가지 일반적인 세라믹 기판 소재에 대한 자세한 설명입니다.

산화 알루미늄(Al₂O₃)

산화알루미늄은 우수한 열전도도, 기계적 강도 및 전기 절연 특성으로 인해 가장 일반적으로 사용되는 세라믹 기판 소재입니다. 풍부한 가용성과 적절한 가격으로 인해 전력 전자, LED 냉각 및 마이크로파 통신에 널리 사용됩니다. 산화알루미늄 세라믹은 순도(75%, 96%, 99.5%)에 따라 다양한 등급으로 제공됩니다. 산화알루미늄 함량의 변화는 전기적 특성에 큰 영향을 미치지 않지만 기계적 성능과 열전도도에는 큰 영향을 미칩니다. 고순도 산화알루미늄 기판은 밀도가 높고 유전 손실이 낮으며 표면 평활도가 우수하여 수요가 높은 응용 분야에 적합합니다. 산화알루미늄의 열전도도는 일반적으로 18~36 W/(m·K)이며, 열팽창 계수(CTE)는 4.5~10.9 x 10⁻⁶/K로 일반적인 반도체 소재와 호환됩니다. 그러나 다른 고열전도성 세라믹 소재와 비교하면 방열 성능이 상대적으로 낮아 극한의 열 성능이 필요한 응용 분야에서는 사용이 제한됩니다.

질화알루미늄(AlN)

질화알루미늄은 산화알루미늄보다 훨씬 높은 열전도도를 제공하며, 일반적으로 실온에서 80~200 W/(m·K)의 범위를 가지며, 최대 300 W/(m·K)에 달할 수 있습니다. 열팽창계수(CTE)는 실리콘과 거의 일치하여 전력 반도체 소자에 이상적인 기판입니다. 고전력 밀도 응용 분야에서 AlN의 낮은 유전율과 탁월한 열 관리 기능은 소자의 신뢰성과 성능을 크게 향상시킵니다. 그러나 AlN의 높은 제조 비용은 비용에 민감한 분야에서의 사용을 제한합니다.

산화베릴륨(BeO)

산화베릴륨은 뛰어난 열전도도의 세라믹 소재로, 열전도도가 대부분의 금속을 능가하여 330 W/(m·K)에 달합니다. 매우 높은 전력 밀도의 응용 분야에 이상적입니다. 그러나 독성으로 인해 제조 및 사용 시 엄격한 안전 조치가 요구되어 적용 범위가 제한됩니다.

세라믹 PCB와 기존 PCB의 주요 차이점

재료 차이:

세라믹 PCB: 산화알루미늄, 질화알루미늄, 산화베릴륨과 같은 세라믹 소재로 제작되어 우수한 열전도도, 고온 저항성, 전기 절연성을 제공합니다. 일반 PCB: 유리 섬유 강화 에폭시(FR-4) 또는 폴리이미드와 같은 유기 소재로 제작되어 열전도도와 내열성이 낮아 일반 전자 제품에 적합합니다.

열 관리:

세라믹 PCB: 열전도율이 높아 고전력 전자 장치에 적합하며, 빠른 열 방출을 통해 과열을 방지합니다. 기존 PCB: 열전도율이 낮아 특히 고전력 애플리케이션에서 열 관리를 위해 추가 방열판이나 방열재가 필요한 경우가 많습니다.

기계적 강도 및 내구성:

세라믹 PCB: 강도, 경도, 내식성이 뛰어나 고온, 고압, 화학적 부식성 조건 등 혹독한 환경에 적합합니다. 기존 PCB: 기계적 강도가 낮고 습기, 화학적 부식, 온도 변화로 인해 손상되기 쉽습니다.

전기 절연:

세라믹 PCB: 뛰어난 전기 절연성으로 특히 고전압 애플리케이션에 적합합니다. 기존 PCB: 절연 특성이 약하여 온도 상승에 따라 성능이 저하될 수 있습니다.

응용 프로그램:

세라믹 PCB: 전력 전자, RF 회로, LED 조명, 항공우주 등 높은 열전도도, 고온 저항, 높은 전류 밀도, 그리고 높은 신뢰성이 요구되는 분야에 주로 사용됩니다. 기존 PCB: 저렴한 가격과 폭넓은 적용성으로 인해 가전제품, 통신 기기, 자동차 전장품 등에 널리 사용됩니다.

제조 복잡성:

세라믹 PCB: 복잡한 제조 공정, 특히 구리 호일을 세라믹 기판에 고온 접합하는 공정(예: DBC 또는 LTCC/HTCC 공정)으로 인해 비용이 증가합니다. 기존 PCB: 특히 FR-4 PCB의 경우, 더욱 성숙되고 간단한 제조 공정을 통해 비용이 절감됩니다.

세라믹 PCB 대 알루미늄 PCB

1. 열전도도의 차이:

알루미늄은 열전도도가 최대 237 W/(m·K)에 달하는 우수한 열전도성을 가지고 있습니다. 그러나 알루미늄 PCB의 경우, 알루미늄 기판과 회로층 사이의 절연층이 방열을 크게 저해하여 시스템 열 관리에 병목 현상을 발생시킵니다.

2. 전기 절연성 및 구조적 강도:

알루미늄은 도체이므로 알루미늄 PCB는 단락을 방지하기 위해 회로와 알루미늄 기판 사이에 전기 절연층을 사용해야 합니다. 이러한 설계는 열 전도에 적합하지 않습니다. 반대로 세라믹 소재는 전기 절연성이 뛰어나 추가 절연층이 필요하지 않습니다. 따라서 세라믹 PCB는 고전압 및 고온 환경에서 열을 효과적으로 방출하고 안정적인 전기적 성능을 유지할 수 있습니다. 예를 들어, 산화알루미늄과 질화알루미늄은 모두 높은 항복 전압을 가지므로 고전력 장비에 이상적입니다.

3. 작동 온도 범위:

세라믹 PCB는 알루미늄 PCB에 비해 뛰어난 내열성을 제공합니다. 대부분의 알루미늄 PCB는 -40°C ~ 150°C의 온도 범위에서 효과적으로 작동하지만, 세라믹 PCB는 최대 350°C의 고온을 견딜 수 있어 전력 장치, 엔진 제어 시스템, 고열을 발생시키는 LED 조명과 같은 고온 환경에 적합합니다.

4. 생산 비용:

알루미늄 PCB는 구조가 간단하고 알루미늄을 소재로 널리 사용할 수 있어 제조 비용이 비교적 저렴합니다. 반면, 세라믹 PCB, 특히 질화알루미늄과 산화베릴륨으로 만든 PCB는 제조 공정이 복잡하고 원자재 가격이 비싸 생산 비용이 높습니다. 그러나 뛰어난 열 관리 및 전기 절연이 필요한 분야에서는 세라믹 PCB의 높은 비용이 성능상의 이점 덕분에 정당화되는 경우가 많습니다.

세라믹 PCB의 장점

뛰어난 방열성:

세라믹 소재의 높은 열전도도는 고전력 부품에서 발생하는 열을 빠르게 방출하여 과열을 방지하고 장치의 안정적인 작동을 보장합니다.

높은 전기 절연성:

세라믹 기판은 고전압에서도 뛰어난 전기 절연성을 제공하므로 전력 전자, RF 회로, 의료 기기 등 높은 전력과 안정성이 요구되는 응용 분야에 이상적입니다.

높은 기계적 강도와 내구성:

세라믹 PCB는 물리적 응력, 부식 및 혹독한 환경 조건에 대한 내성이 매우 강해 항공우주 및 군용 전자 제품과 같은 중요한 응용 분야에서 내구성과 신뢰성을 갖추고 있습니다.

고온에서의 향상된 신뢰성:

세라믹 PCB는 성능 저하 없이 극한의 온도에서도 작동할 수 있으므로 산업 장비 및 자동차 전자 장치와 같이 고온 환경에서 안정적인 작동을 보장합니다. 세라믹 회로 기판

세라믹 PCB의 응용 분야

전력 전자공학:

세라믹 PCB는 전력 모듈과 전력 제어 시스템에 널리 사용됩니다. 뛰어난 방열성과 전기 절연성으로 인해 인버터, 모터 드라이브, 전원 공급 장치와 같은 고전력 장치에 이상적입니다.

RF 및 마이크로파 회로:

세라믹 소재는 유전 손실이 낮아 RF 통신 시스템, 마이크로파 회로, 레이더 장비와 같은 고주파 응용 분야에 적합합니다. 고주파에서 신호 무결성을 유지하는 능력은 성능에 매우 중요합니다.

LED 조명:

세라믹 PCB는 LED 조명, 특히 고출력 LED에 널리 사용됩니다. 뛰어난 방열 성능은 LED의 효율적인 작동과 긴 수명을 보장합니다.

의료기기:

세라믹 PCB는 높은 신뢰성, 전기 절연성, 내열성 덕분에 영상 시스템 및 수술 도구와 같이 안정적인 성능이 요구되는 의료 기기에 사용됩니다.

항공우주 및 군용 전자제품:

세라믹 PCB는 신뢰성, 내구성, 그리고 고성능이 필수적인 항공우주 및 군사 분야와 같은 혹독한 환경에서 사용됩니다. 이러한 분야는 극한의 온도와 기계적 응력을 견딜 수 있는 소재를 필요로 하는 경우가 많습니다. 세라믹 PCB는 특히 열 관리, 전기 절연, 그리고 기계적 강도 측면에서 기존 PCB 및 알루미늄 PCB에 비해 탁월한 장점을 가지고 있습니다. 전력 전자, RF 회로, LED 조명과 같은 고전력, 고주파, 고온 분야에서 세라믹 PCB는 선호되는 선택입니다. 세라믹 PCB는 제조 비용이 높지만, 핵심 분야에서 탁월한 성능을 발휘하기 때문에 안정적이고 오래 지속되는 전자 솔루션이 필요한 산업에 가치 있는 투자입니다. SprintPCB는 세라믹 PCB 제조 분야 에서 풍부한 경험을 보유하고 있으며, 이러한 까다로운 분야의 요구를 충족하는 고품질 제품을 제공할 수 있습니다. SprintPCB는 첨단 제조 공정과 엄격한 품질 관리를 통해 고객에게 최고의 세라믹 PCB 솔루션을 제공하고 제품의 안정성과 신뢰성을 보장하기 위해 최선을 다하고 있습니다.