Функциональные характеристики и применение электронной изоляционной керамики
Электронная изоляционная керамика, также известная как изолирующая керамика или высокочастотная керамическая изолятора, играет важнейшую роль в современных электрических и электронных системах. Эта керамика в основном используется для физической изоляции проводников, предотвращая нежелательную утечку тока, которая может нарушить работу схемы или привести к полному отказу системы. Помимо электроизоляции, эта керамика обеспечивает необходимую механическую поддержку, рассеивание тепла и защиту компонентов схемы от воздействия окружающей среды.
В отличие от обычных материалов электронные керамические изоляторы сохраняют свои диэлектрические, механические и химические свойства даже при повышенных температурах, обеспечивая долговременную надежность в сложных условиях.
Основные функции электронных керамических изоляторов
В электронной промышленности изоляционная керамика широко используется в широком спектре изделий, включая:
▶ Подложки и упаковочные материалы для электронных схем
▶ Гнезда и разъемы для электронных ламп и высокочастотных штекеров
▶ Компоненты переключателей, опоры подстроечных резисторов, клеммные колодки и каркасы катушек
▶ Защитные трубки и керамические изоляционные втулки для вакуумных приборов, термостатов и реле
Их функции выходят за рамки изоляции и включают в себя монтаж, фиксацию, структурную поддержку и электрическое соединение. Например, в электромобилях (ЭМ) алюмооксидная изоляционная керамика с металлизированным уплотнением используется в реле, предохранителях, разъёмах аккумуляторных батарей и многом другом.
Типы и свойства изоляционной электронной керамики
По химическому составу изоляционную керамику можно разделить на две основные категории:
Оксидная изоляционная керамика:такие как керамика на основе оксида алюминия, керамика на основе талька, керамика на основе форстерита и керамика на основе оксида бериллия
Неоксидная изоляционная керамика:включая нитрид алюминия, нитрид бора и нитрид кремния
Чтобы эффективно функционировать в качестве электронного керамического изолятора, материал должен обладать следующими основными свойствами:
| Свойство | Требование |
| Высокая диэлектрическая прочность | Выдерживать высокое напряжение |
| Низкие диэлектрические потери | Эффективен для высоких частот |
| Высокое объемное удельное сопротивление | Отличная изоляция |
| Теплопроводность | Эффективное рассеивание тепла |
| Согласование теплового расширения | Совместимость с проводниковыми материалами |
| Механическая прочность | Выдерживать механические нагрузки |
| Химическая стабильность | Устойчивость к деградации в суровых условиях |
Высокочастотная изоляционная керамика на основе талька
Тальковая керамика, получаемая из натурального талька (3MgO·4SiO₂·H₂O), обеспечивает низкие диэлектрические потери и широко используется в:
▶ Высокочастотные каркасы катушек и переключатели
▶ Керамические валы и подложки резисторов
▶ Высоковольтные и подстроечные конденсаторы малой емкости
Отличная стойкость к тепловым ударам и доступная цена делают его идеальным для компонентов с высоким импедансом.
Керамика из оксида алюминия как изолирующая электронная керамика
Керамический изолятор на основе оксида алюминия является одним из наиболее широко используемых материалов в электронике, включая:
▶ Керамические оболочки для вакуумных конденсаторов и СВЧ-ламп
▶ Керамические окна в системах передачи микроволновой энергии
▶ Подложки для многослойной разводки и корпусов ИС
▶ Вакуумные выключатели, тиристоры и другая силовая электроника
Используется как белая, так и красная алюмооксидная керамика, причём красная алюмооксидная керамика обычно содержит CrO₂ для придания цвета. В электромобилях компоненты из металлизированной алюмооксидной керамики всё чаще применяются в реле, предохранителях и разъёмах аккумуляторных батарей.
По сравнению со структурной алюмооксидной керамикой, алюмооксидная керамика изоляционного класса должна обладать превосходными электрическими свойствами, в том числе:
▶ Низкие диэлектрические потери
▶ Высокое пробивное напряжение
▶ Высокое удельное сопротивление
Поэтому содержание примесей одновалентных ионов (например, На₂O, K₂O) должно строго контролироваться, чтобы не допустить ухудшения электрических характеристик.
Керамика на 95% из оксида алюминия: промышленный стандарт
Наиболее распространенным материалом является керамика на 95% или 96% из оксида алюминия, которая сочетает в себе высокие электрические и механические характеристики с низкой стоимостью производства, что делает ее пригодной для массового производства. Она также содержит небольшие количества стеклофазы, что облегчает металлизацию и герметизацию — ключевое требование в электронике.
Приложения включают в себя:
▶ Мощные вакуумные трубки, где критически важны высокая прочность и высокая изоляция
▶ Вакуумные конденсаторы с пробивным напряжением примерно в 10 раз выше, чем у воздушных конденсаторов
▶ Микроволновые трубки и окна для передачи энергии с использованием 95–99% глинозема
▶ Вакуумные прерыватели в автоматических выключателях электросетей и промышленных систем
▶ Керамические вакуумные трубки, состоящие из изолирующих керамических корпусов со встроенными электродами
Применение в светодиодном освещении и электроприборах
Керамические изоляторы на основе оксида алюминия также играют ключевую роль в светодиодном освещении, где они служат керамическими колпачками ламп и подложками печатных плат (см. рис. 5 и 6). Их теплопроводность и электроизоляция обеспечивают долгий срок службы и надёжность. Ещё одним распространённым применением являются керамические патроны для ламп (рис. 7) в электрических источниках света.
Применение в автомобилестроении: керамический изолятор свечей зажигания
Одним из наиболее важных применений электронной изоляционной керамики в автомобилестроении является керамический изолятор свечей зажигания.
Керамический изолятор свечи зажигания обычно изготавливается из алюмооксидной керамики по причине ее:
▶ Высокая диэлектрическая прочность
▶ Отличная стойкость к тепловым ударам
▶ Устойчивость к воздействию продуктов сгорания и вибрации
▶ Высокая механическая прочность и электроизоляция
▶ Эти характеристики обеспечивают стабильное зажигание двигателей внутреннего сгорания в сложных условиях эксплуатации. С переходом на экономичные и высокопроизводительные двигатели спрос на керамические изоляторы свечей зажигания продолжает расти.
Электроизоляционная керамика играет важнейшую роль в современных электрических и электронных системах. От традиционных электронных ламп и микроволновых устройств до электромобилей нового поколения и автомобильных систем зажигания, такие материалы, как алюмооксидная керамика, тальковая керамика и керамические изоляторы свечей зажигания, обеспечивают безопасную, стабильную и эффективную работу. Благодаря своим превосходным диэлектрическим, термическим и механическим свойствам эти материалы останутся ключевыми для развития высоковольтных, высокочастотных и высокотемпературных приложений.
