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Part.1/ 航空航天器件為何選擇陶瓷基板作為材料之一？

在航空航天領(lǐng)域，由于航天器和航空航天超高速飛行器需要在極端環(huán)境條件下保持穩(wěn)定性、性能和可靠性，因此材料的選擇至關(guān)重要。其中，陶瓷基板、FR4 PCB板和撓性電路是三種常見(jiàn)的材料選擇，但在航空航天設(shè)備中，為什么更傾向于選擇陶瓷基板而不是其他兩種類型?

可能有人會(huì)好奇，F(xiàn)PC具有優(yōu)異的柔韌、輕薄的性能，有利于長(zhǎng)途運(yùn)輸，為什么不選擇FPC呢?此外，F(xiàn)R4 PCB比陶瓷有足夠好的支撐力，它有高韌性，也不容易破碎，為什么選擇陶瓷而不是FR4 PCB?讓我們一起深入研究。

Part.2/ 為什么FPC和PCB不適合航空航天？

從分子結(jié)構(gòu)上看，F(xiàn)PC由聚酰亞胺制成，F(xiàn)R4剛性板由環(huán)氧樹(shù)脂制成，兩者都是有機(jī)板。受到宇宙射線照射后，很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變其分子結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品變形。這就是它們不能用于航空航天的主要原因。

此外，與陶瓷基板相比，普通電路板無(wú)法承受高溫。PCB的燃點(diǎn)是130℃，比較低。即使加入耐高溫材料，其耐高溫特性也不能改變。大多數(shù)環(huán)氧樹(shù)脂的燃點(diǎn)在200℃左右，其耐高溫性也很弱。換句話說(shuō)，F(xiàn)R-4玻璃纖維板是由耐高溫玻璃纖維材料和高耐熱復(fù)合材料組成，但無(wú)論哪種玻璃纖維材料，對(duì)人體都是有毒有害的，所以不宜使用。

Part.3/ 為什么陶瓷基板是最好的選擇？

航空航天設(shè)備在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中運(yùn)行，需要具有特定性能的材料來(lái)確保可靠性、安全性和性能。與傳統(tǒng)材料(如FR4 PCB或FPC柔性線路板)相比，陶瓷基板具有多種得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，使其成為航空航天應(yīng)用的首選。以下是航空航天設(shè)備選擇陶瓷基板的原因:
01
高溫穩(wěn)定性:陶瓷基板可以承受極端溫度而不會(huì)降解。陶瓷的電阻溫度為-55~850℃(一些特殊技術(shù)，如HTCC可以達(dá)到1600℃)，這對(duì)于設(shè)備可能暴露在非常高和非常低溫度下的航空航天應(yīng)用至關(guān)重要。

02
導(dǎo)熱性:陶瓷通常比FR4等材料具有更高的導(dǎo)熱性。例如，AlN的導(dǎo)熱系數(shù)約為170~230W/mK，而FR4 PCB的導(dǎo)熱系數(shù)僅為1.0 W/mK，約為普通PCB的200倍。這意味著它們可以更有效地散熱，防止敏感部件過(guò)熱而導(dǎo)致潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

03
絕緣:陶瓷基板本身就是一種特殊的絕緣材料。因此，不需要加入額外的絕緣材料。在陶瓷金屬化的生產(chǎn)中，陶瓷與鈦(Ti)的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)45MPa，且銅與陶瓷的熱膨脹系數(shù)(CTE)更加匹配。陶瓷基板和金屬層在高溫條件下也能牢固結(jié)合。這種良好的性能可以防止航空航天設(shè)備中的短路和電氣干擾。

04
高機(jī)械強(qiáng)度和低介電常數(shù):陶瓷基板雖然易碎，但硬度高，介電常數(shù)低，可在高頻下使用。這使得它們適合航空航天應(yīng)用的物理需求。若用于電子通信行業(yè)，可顯著降低信號(hào)損失率。

05
尺寸穩(wěn)定性:陶瓷在溫度發(fā)生變化時(shí)表現(xiàn)出較于FR4 PCB 或者 FPC 相對(duì)來(lái)說(shuō)更小的尺寸變化，可確保設(shè)備的一致性和可靠性。因此，陶瓷基板比其他兩類PCB更適用于航天航空應(yīng)用。

06
化學(xué)穩(wěn)定性:陶瓷基本具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，可廣泛應(yīng)用于腐蝕性強(qiáng)或需要長(zhǎng)時(shí)間浸泡的設(shè)備中，如飛機(jī)機(jī)翼。

07
壽命和可靠性:由于其特有的性質(zhì)，與其他材料相比，陶瓷基板在航空航天應(yīng)用中往往具有更長(zhǎng)的壽命和更高的可靠性。

陶瓷基板的顯著特性為航空航天應(yīng)用帶來(lái)了顯著的好處，包括提高速度、燃油效率、有效載荷能力和任務(wù)持續(xù)時(shí)間。這些優(yōu)勢(shì)突出了陶瓷基板在各個(gè)行業(yè)和創(chuàng)新中的擴(kuò)展?jié)摿ΑｋS著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，陶瓷基板將進(jìn)一步優(yōu)化其特性，擴(kuò)大其性能和適應(yīng)性。這一進(jìn)展將有望徹底改變航空航天和相關(guān)設(shè)備，使其在未來(lái)的發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。 

原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（宇斯特電子）：為何選用陶瓷基板作為航天航空器件的材料之一？

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作者 gan, lanjie

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