Elektronikus szigetelő kerámiák funkcionális jellemzői és alkalmazásai
Az elektronikus szigetelő kerámiák, más néven szigetelő kerámiák vagy nagyfrekvenciás kerámia szigetelők, kritikus szerepet játszanak a modern elektromos és elektronikus rendszerekben. Ezeket a kerámiákat elsősorban a vezetők fizikai szigetelésére használják, megakadályozva a nem kívánt áramszivárgást, amely megzavarhatja az áramkör működését vagy teljes rendszerhibát okozhat. Az elektromos szigetelésen túl ezek a kerámiák alapvető mechanikai támaszt, hőelvezetést és környezetvédelmet biztosítanak az áramköri alkatrészek számára.
A hagyományos anyagokkal ellentétben az elektronikus kerámia szigetelők magas hőmérsékleten is megőrzik dielektromos, mechanikai és kémiai tulajdonságaikat, így biztosítva a hosszú távú megbízhatóságot igénylő környezetben.
Az elektronikus kerámia szigetelők főbb funkciói
Az elektronikai iparban a szigetelő kerámiákat széles körben használják számos termékben, beleértve:
▶ Elektronikus áramkörökhöz való hordozók és csomagolóanyagok
▶ Csőaljzatok és csatlakozók vákuumcsövekhez és nagyfrekvenciás dugókhoz
▶ Kapcsolóalkatrészek, trimmertartók, sorkapocstáblák és tekercstartók
▶ Védőcsövek és kerámia szigetelőhüvelyek vákuumkészülékekhez, termosztátokhoz és relékhez
Feladataik a szigetelésen túl kiterjednek a szerelésre, rögzítésre, szerkezeti támogatásra és elektromos csatlakozásra. Például elektromos járművekben (EV) fémbevonatú tömítéssel ellátott alumínium-oxid szigetelő kerámiákat használnak relékben, biztosítékokban, akkumulátorcsatlakozókban és egyebekben.
Szigetelő elektronikus kerámiák típusai és tulajdonságai
A kémiai összetétel alapján a szigetelő kerámiákat két fő kategóriába sorolhatjuk:
Oxid szigetelő kerámiák:például alumínium-oxid kerámia, talkum kerámia, forsterit kerámia és berillium-oxid kerámia
Nemoxid szigetelő kerámiák:beleértve az alumínium-nitridet, a bór-nitridet és a szilícium-nitridet
Ahhoz, hogy egy anyag hatékonyan működjön elektronikus kerámia szigetelőként, a következő alapvető tulajdonságokkal kell rendelkeznie:
| Ingatlan | Követelmény |
| Nagy dielektromos szilárdság | Ellenáll a nagyfeszültségnek |
| Alacsony dielektromos veszteség | Hatékony nagyfrekvenciás alkalmazásokhoz |
| Nagy térfogati ellenállás | Kiváló szigetelés |
| Hővezető képesség | Hatékony hőelvezetés |
| Hőtágulási illesztés | Kompatibilis a vezető anyagokkal |
| Mechanikai szilárdság | Ellenáll a mechanikai igénybevételnek |
| Kémiai stabilitás | Ellenáll a degradációnak a zord környezetben |
Talkum alapú nagyfrekvenciás szigetelő kerámia
A természetes talkumból (3MgO·4SiO₂·H₂O) származó talkum kerámia alacsony dielektromos veszteséggel rendelkezik, és széles körben használják:
▶ Nagyfrekvenciás tekercsformák és kapcsolók
▶ Kerámia tengelyek és ellenállás aljzatok
▶ Kis kapacitású nagyfeszültségű és trimmer kondenzátorok
Kiváló hősokk-állósága és megfizethetősége ideálissá teszi nagy impedanciájú alkatrészekhez.
Alumina kerámia, mint szigetelő elektronikus kerámia
Az alumínium-oxid kerámia szigetelő az egyik legszélesebb körben használt anyag az elektronikai alkalmazásokban, beleértve:
▶ Kerámia burkolatok vákuumkondenzátorokhoz és mikrohullámú csövekhez
▶ Kerámia ablakok mikrohullámú átvitelben
▶ Többrétegű vezetékezéshez és IC-csomagolásokhoz használt aljzatok
▶ Vákuumkapcsolók, tirisztorok és egyéb teljesítményelektronikai eszközök
Fehér és vörös alumínium-oxid kerámiákat is használnak, a vörös alumínium-oxid jellemzően CrO₂-t tartalmaz a színezéshez. Elektromos járművekben a fémezett alumínium-oxid kerámia alkatrészeket egyre inkább alkalmazzák relékben, biztosítékokban és akkumulátorcsatlakozókban.
A szerkezeti alumínium-oxid kerámiákkal összehasonlítva a szigetelő minőségű alumínium-oxid kerámiák kiváló elektromos tulajdonságokat igényelnek, beleértve:
▶ Alacsony dielektromos veszteség
▶ Magas átütési feszültség
▶ Nagy ellenállás
Ezért az egyértékű ionszennyeződések (pl. Na₂O, K₂O) tartalmát szigorúan szabályozni kell az elektromos teljesítmény romlásának megakadályozása érdekében.
95% alumínium-oxid kerámia: Az iparági szabvány
A leggyakrabban használt anyag a 95%-os vagy 96%-os alumínium-oxid kerámia, amely egyensúlyt teremt az elektromos és mechanikai teljesítmény és az alacsonyabb gyártási költségek között, így alkalmassá teszi tömegtermelésre. Kis mennyiségű üvegesedést is tartalmaz, ami elősegíti a fémbevonatot és a hermetikus tömítést – ami kulcsfontosságú követelmény az elektronikában.
Alkalmazások a következők:
▶ Nagy teljesítményű vákuumcsövek, ahol a nagy szilárdság és a kiváló szigetelés kritikus fontosságú
▶ Vákuumkondenzátorok, amelyek átütési feszültsége ~10-szer nagyobb, mint a levegőkondenzátoroké
▶ Mikrohullámú csövek és energiaáteresztő ablakok 95–99%-os alumínium-oxid felhasználásával
▶ Vákuummegszakítók az elektromos hálózatok és ipari rendszerek megszakítóiban
▶ Kerámia vákuumcsövek, szigetelő kerámia házakból és beágyazott elektródákból
Alkalmazások LED világításban és elektromos készülékekben
Az alumínium-oxid kerámia szigetelők kulcsfontosságúak a LED-világításban is, ahol kerámia lámpaburákként és nyomtatott áramköri hordozóként szolgálnak (lásd az 5. és 6. ábrát). Hővezető képességük és elektromos szigetelésük hosszú élettartamot és megbízhatóságot biztosít. Az elektromos fényforrásokban található kerámia lámpafoglalatok (7. ábra) egy másik gyakori alkalmazási terület.
Autóipari alkalmazások: Kerámia gyújtógyertya-szigetelő
Az elektronikus szigetelő kerámiák egyik legfontosabb autóipari alkalmazása a kerámia gyújtógyertya-szigetelő.
A kerámia gyújtógyertya-szigetelő jellemzően alumínium-oxid kerámiából készül, a következő tulajdonságok miatt:
▶ Nagy dielektromos szilárdság
▶ Kiváló hősokk-állóság
▶ Égési gázokkal és rezgéssel szembeni ellenállás
▶ Nagy mechanikai szilárdság és elektromos szigetelés
▶ Ezek a tulajdonságok biztosítják a belső égésű motorok stabil gyújtását zord körülmények között. Az üzemanyag-takarékos és nagy teljesítményű motorok felé való elmozdulással a kerámia gyújtógyertya-szigetelők iránti kereslet folyamatosan növekszik.
A szigetelő elektronikus kerámiák elengedhetetlenek a modern elektromos és elektronikus rendszerekhez. A hagyományos vákuumcsövektől és mikrohullámú eszközöktől a következő generációs elektromos járművekig és autóipari gyújtásrendszerekig olyan anyagok, mint az alumínium-oxid kerámia szigetelő, a talkum kerámia és a kerámia gyújtógyertya-szigetelő, biztonságos, stabil és hatékony működést tesznek lehetővé. Kiváló dielektromos, termikus és mechanikai tulajdonságaiknak köszönhetően ezek az anyagok továbbra is kulcsfontosságúak lesznek a nagyfeszültségű, nagyfrekvenciás és magas hőmérsékletű alkalmazások fejlesztésében.
