Функциональные характеристики и области применения электронной изоляционной керамики
Электронные изоляционные керамические материалы, также известные как изоляционная керамика или высокочастотные керамические изоляторы, играют важнейшую роль в современных электрических и электронных системах. Эти керамические материалы в основном используются для физической изоляции проводников, предотвращая нежелательную утечку тока, которая может нарушить работу схемы или привести к полному отказу системы. Помимо электрической изоляции, эти керамические материалы обеспечивают необходимую механическую поддержку, теплоотвод 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 эксплуатации.
Основные функции электронных керамических изоляторов
В электронной промышленности изоляционная керамика широко используется в самых разных изделиях, в том числе:
▶ Подложки и упаковочные материалы для электронных схем
▶ Ламповые цоколи и разъемы для вакуумных ламп и высокочастотных штекеров.
▶ Компоненты переключателей, опоры подстроечных резисторов, клеммные платы и каркасы катушек.
▶ Защитные трубки и керамические изоляционные втулки для вакуумных устройств, термостатов и реле.
Их функции выходят за рамки изоляции и включают в себя монтаж, крепление, структурную поддержку и электрическое соединение. Например, в электромобилях (Электромобиль) изоляционная керамика из оксида алюминия с металлизированным уплотнением используется в реле, предохранителях, разъемах батарей и многом другом.
Типы и свойства изоляционной электронной керамики
В зависимости от химического состава изоляционную керамику можно разделить на две основные категории:
Оксидная изоляционная керамика:например, керамика из оксида алюминия, тальковая керамика, форстеритовая керамика и керамика из оксида бериллия.
Неоксидная изоляционная керамика:включая нитрид алюминия, нитрид бора и нитрид кремния.
Для эффективного функционирования в качестве электронного керамического изолятора материал должен обладать следующими основными свойствами:
| Свойство | Требование |
| Высокая диэлектрическая прочность | Выдерживает высокое напряжение |
| Низкие диэлектрические потери | Эффективен для высокочастотных режимов. |
| Высокое объемное удельное сопротивление | Отличная теплоизоляция |
| Теплопроводность | Эффективное рассеивание тепла |
| согласование теплового расширения | Совместимо с проводящими материалами |
| Механическая прочность | Выдерживает механические нагрузки |
| Химическая стабильность | Устойчивость к деградации в суровых условиях окружающей среды. |
Высокочастотная изоляционная керамика на основе талька
Тальковая керамика, получаемая из природного талька (3MgO·4SiO₂·H₂O), обладает низкими диэлектрическими потерями и широко используется в:
▶ Высокочастотные катушки и переключатели
▶ Керамические стержни и подложки для резисторов
▶ Высоковольтные конденсаторы малой емкости и подстроечные конденсаторы
Благодаря превосходной термостойкости и доступной цене он идеально подходит для компонентов с высоким импедансом.
Алюмокерамика как изолирующая электронная керамика
Алюмооксидный керамический изолятор — один из наиболее широко используемых материалов в электронных устройствах, в том числе:
▶ Керамические оболочки для вакуумных конденсаторов и микроволновых ламп
▶ Керамические окна в системах передачи микроволнового излучения
▶ Подложки для многослойной проводки и корпусов интегральных схем.
▶ Вакуумные переключатели, тиристоры и другая силовая электроника
Используются как белые, так и красные керамические материалы на основе оксида алюминия, при этом красный оксид алюминия обычно содержит CrO₂ для окрашивания. В электромобилях металлизированные керамические компоненты на основе оксида алюминия все чаще применяются в реле, предохранителях и разъемах аккумуляторов.
По сравнению со структурной глиноземной керамикой, изоляционная глиноземная керамика должна обладать превосходными электрическими свойствами, в том числе:
▶ Низкие диэлектрические потери
▶ Высокое напряжение пробоя
▶ Высокое удельное сопротивление
Следовательно, содержание примесей одновалентных ионов (например, На₂O, K₂O) должно строго контролироваться для предотвращения ухудшения электрических характеристик.
Керамика с 95% содержанием оксида алюминия: отраслевой стандарт.
Наиболее часто используемый материал — это керамика на основе оксида алюминия с содержанием алюминия 95% или 96%, которая обеспечивает баланс между электрическими и механическими характеристиками и более низкой себестоимостью производства, что делает её пригодной для массового производства. Она также содержит небольшое количество стеклообразных фаз, что облегчает металлизацию и герметичность — ключевое требование в электронике.
В число приложений входят:
▶ Мощные вакуумные лампы, где критически важны высокая прочность и отличная изоляция.
▶ Вакуумные конденсаторы, напряжение пробоя которых примерно в 10 раз выше, чем у воздушных конденсаторов.
▶ Микроволновые лампы и окна пропускания энергии с использованием 95–99% оксида алюминия
▶ Вакуумные выключатели в автоматических выключателях для электросетей и промышленных систем.
▶ Керамические вакуумные лампы, включающие изолирующие керамические корпуса со встроенными электродами.
Применение в светодиодном освещении и электроприборах.
Изоляторы из оксида алюминия также играют важную роль в светодиодном освещении, где они служат в качестве керамических патронов для ламп и подложек для печатных плат (см. рис. 5 и 6). Их теплопроводность и электрическая изоляция обеспечивают длительный срок службы и надежность. Керамические патроны для ламп (рис. 7) в электрических источниках света — еще одно распространенное применение.
Применение в автомобильной промышленности: керамический изолятор свечи зажигания.
Одним из наиболее важных применений электронной изоляционной керамики в автомобильной промышленности является керамический изолятор свечи зажигания.
Керамический изолятор свечи зажигания обычно изготавливается из оксида алюминия благодаря следующим свойствам:
▶ Высокая диэлектрическая прочность
▶ Превосходная устойчивость к термическим ударам
▶ Устойчивость к продуктам сгорания и вибрации
▶ Высокая механическая прочность и электрическая изоляция
▶ Эти характеристики обеспечивают стабильное зажигание двигателей внутреннего сгорания в суровых условиях. С переходом к экономичным и высокопроизводительным двигателям спрос на керамические изоляторы свечей зажигания продолжает расти.
Изоляционная электронная керамика играет важнейшую роль в современных электрических и электронных системах. От традиционных вакуумных ламп и микроволновых устройств до электромобилей следующего поколения и автомобильных систем зажигания, такие материалы, как керамический изолятор на основе оксида алюминия, тальковая керамика и керамический изолятор 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 применений.
