अधिकांश पारंपरिक सर्किट बोर्ड FR4 या एपॉक्सी रेज़िन को आधार सामग्री के रूप में उपयोग करते हैं, जो सामान्य उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के लिए उपयुक्त है। हालाँकि, ये अक्सर उच्च-शक्ति और उच्च-आवृत्ति की परिस्थितियों का सामना नहीं कर पाते। इन समस्याओं के समाधान के लिए, इंजीनियरों ने सिरेमिक पीसीबी का उपयोग करना शुरू कर दिया।
सिरेमिक सर्किट बोर्ड साधारण पीसीबी का कोई साधारण विकल्प नहीं है, बल्कि एक अधिक उन्नत तकनीक है। इसमें उत्कृष्ट तापीय चालकता, विद्युत रोधन और आयामी स्थिरता होती है। दूसरे शब्दों में, सिरेमिक सब्सट्रेट पीसीबी उच्च तापमान, तीव्र कंपन या संक्षारक वातावरण में भी स्थिर और विश्वसनीय रूप से कार्य कर सकते हैं, जिससे वे एयरोस्पेस, रक्षा, ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स, चिकित्सा उपकरण और 5G संचार जैसे क्षेत्रों के लिए अत्यधिक उपयुक्त बन जाते हैं।
इस व्यापक गाइड में, हम आपको सिरेमिक पीसीबी की पूरी जानकारी देंगे: यह क्या है, इसकी विशेषताएं, आमतौर पर उपयोग की जाने वाली सामग्री और प्रकार, विशिष्ट अनुप्रयोग परिदृश्य, विनिर्माण प्रक्रियाएं, और इसके और FR4 और MCPCB के बीच अंतर।
सिरेमिक पीसीबी क्या है?
सिरेमिक पीसीबी एक विशेष प्रकार का प्रिंटेड सर्किट बोर्ड होता है। इसका सब्सट्रेट पारंपरिक फाइबरग्लास एपॉक्सी रेज़िन (FR4) से नहीं, बल्कि उन्नत सिरेमिक पदार्थों जैसे एल्युमिना (Al₂O₃), एल्युमिनियम नाइट्राइड (AlN), बेरिलियम ऑक्साइड (BeO), सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) या बोरॉन नाइट्राइड (BN) से बना होता है। कार्बनिक पदार्थों के स्थान पर सिरेमिक का उपयोग किया जाता है; सिरेमिक सर्किट बोर्ड में ऐसे गुण होते हैं जो सामान्य सर्किट बोर्ड में नहीं होते, जैसे तापीय चालकता, विद्युत रोधन और रासायनिक संक्षारण प्रतिरोध।
इन विशेषताओं के कारण ही सिरेमिक सब्सट्रेट पीसीबी का व्यापक रूप से उच्च-शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स, आरएफ और माइक्रोवेव सिस्टम, एयरोस्पेस, रक्षा उपकरण, ऑटोमोटिव पावर मॉड्यूल, एलईडी लाइटिंग और अन्य अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है, जिनमें उच्च विश्वसनीयता की आवश्यकता होती है।
एमसीपीसीबी (मेटल कोर सर्किट बोर्ड) के विपरीत, जो ऊष्मा अपव्यय में सहायता के लिए धातु की परतों पर निर्भर करता है, एक सिरेमिक पीसीबी स्वयं उच्च तापीय चालकता को सीधे अपने सब्सट्रेट में एकीकृत करता है। इसका मतलब है कि इसे आमतौर पर अतिरिक्त हीट सिंक की आवश्यकता नहीं होती है, सिस्टम डिज़ाइन सरल होता है, और यह छोटे और उच्च-घनत्व वाले सर्किट को भी सपोर्ट कर सकता है।
सरल शब्दों में, सिरेमिक पीसीबी केवल FR4 का विकल्प नहीं है, बल्कि एक अधिक उन्नत नई पीढ़ी का सर्किट समाधान है। यह उच्च तापमान, उच्च आवृत्ति और संक्षारक वातावरण में स्थिर संचालन बनाए रख सकता है, साथ ही महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में दीर्घकालिक विश्वसनीयता प्रदान करता है।
सिरेमिक पीसीबी की मुख्य विशेषताएं
सिरेमिक पीसीबी का प्रदर्शन मुख्य रूप से निम्नलिखित प्रमुख विशेषताओं से उपजा है:
ऊष्मीय चालकता
सिरेमिक पीसीबी की सबसे उल्लेखनीय विशेषता इसकी तेज़ ऊष्मा क्षय है। एक सामान्य FR4 सर्किट बोर्ड की तापीय चालकता केवल लगभग 0.3 W/m·K होती है, जबकि एल्युमिना ऑक्साइड (Al₂O₃) की तापीय चालकता 20-30 W/m·K तक पहुँच सकती है, और एल्युमिनियम नाइट्राइड (AlN) की तापीय चालकता 200 W/m·K से भी अधिक होती है। इसका अर्थ है कि सिरेमिक सर्किट बोर्ड की ऊष्मा पारंपरिक बोर्डों की तुलना में 20 से 100 गुना तेज़ी से क्षय होती है, जिससे घटकों के अत्यधिक गर्म होने से प्रभावी रूप से बचा जा सकता है और विश्वसनीयता में वृद्धि हो सकती है।
विद्युतीय इन्सुलेशन
सिरेमिक पीसीबी सब्सट्रेट में उत्कृष्ट विद्युत रोधन होता है। एल्युमिना और एल्युमिनियम नाइट्राइड जैसी सामग्रियों में कम परावैद्युत क्षति और स्थिर परावैद्युत स्थिरांक होते हैं, जो सिग्नल रिसाव को कम कर सकते हैं। यह सिरेमिक पीसीबी को रेडियो आवृत्ति (आरएफ), माइक्रोवेव और उच्च गति वाले डिजिटल सर्किट के लिए एक आदर्श विकल्प बनाता है, जिससे स्थिर और विश्वसनीय सिग्नल सुनिश्चित होते हैं।
आयामी स्थिरता
सिरेमिक पीसीबी तापमान परिवर्तन के तहत शायद ही फैलते हैं, और उनका तापीय प्रसार गुणांक (सीटीई) सिलिकॉन चिप्स के करीब होता है। यह सर्किट बोर्ड और चिप्स पर तापीय चक्रण के तनाव को कम करता है, जिससे सिरेमिक सब्सट्रेट पीसीबी अर्धचालक पैकेजिंग में अत्यधिक विश्वसनीय बन जाते हैं।
मशीनी शक्ति
सिरेमिक पीसीबी की संरचना मज़बूत होती है और ये कंपन, झटके और यांत्रिक तनाव को झेल सकते हैं। एयरोस्पेस, ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स और रक्षा इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे क्षेत्रों में इस टिकाऊपन का बहुत महत्व है।
रासायनिक प्रतिरोध
FR4 या कुछ MCPCB के विपरीत, सिरेमिक सब्सट्रेट PCB रसायनों, सॉल्वैंट्स और नमी से होने वाले क्षरण का प्रतिरोध कर सकते हैं। इससे सिरेमिक PCB का चिकित्सा उपकरण, औद्योगिक स्वचालन और ऊर्जा जैसे कठोर वातावरण में सुरक्षित रूप से उपयोग किया जा सकता है।
सिरेमिक पीसीबी सामग्री
औद्योगिक पीसीबी डिज़ाइन में, सब्सट्रेट सामग्री का चयन सीधे सर्किट बोर्ड के प्रदर्शन को प्रभावित करता है। विभिन्न सिरेमिक सामग्रियों की अपनी विशिष्ट तापीय चालकता, यांत्रिक गुण और विद्युत प्रदर्शन होते हैं, और इस प्रकार वे विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त होते हैं।
निम्नलिखित तालिका में कई सामान्य सिरेमिक पीसीबी सामग्रियों को सूचीबद्ध किया गया है, साथ ही उनकी तापीय चालकता, मुख्य विशेषताएं और विशिष्ट अनुप्रयोगों को भी सूचीबद्ध किया गया है, जो डिजाइन और सामग्री चयन के लिए संदर्भ के रूप में कार्य करता है।
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सामग्री
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तापीय चालकता (W/m·K)
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विशेषताएं
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विशिष्ट आवेदन पत्र
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एल्युमिना (Al₂O₃)
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18 - 35
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सस्ती, विश्वसनीय
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एलईडी, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, ऑटोमोटिव सर्किट
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एल्युमिनियम नाइट्राइड (AlN)
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80-200 +
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उच्च तापीय चालकता, सिलिकॉन के करीब CTE
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उच्च-शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स, एयरोस्पेस प्रणालियाँ, और पावर मॉड्यूल में MCPCB प्रतिस्थापन
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बेरिलियम ऑक्साइड (BeO)
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209 - 330
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असाधारण तापीय चालकता, लेकिन विषाक्त
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सैन्य और एयरोस्पेस सिरेमिक पीसीबी सबस्ट्रेट्स
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सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)
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120 - 270
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उत्कृष्ट विद्युत और तापीय गुण
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उच्च-शक्ति आरएफ और पावर डिवाइस सिरेमिक पीसीबी
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बोरोन नाइट्राइड (बीएन)
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3.3 - 4.5
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हल्का, रासायनिक रूप से स्थिर, कम परावैद्युत स्थिरांक
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आरएफ सर्किट, हीट-स्प्रेडर सिरेमिक पीसीबी
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सिरेमिक पीसीबी के प्रकार
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वर्ग
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प्रकार
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मुख्य विशेषताएं
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विशिष्ट आवेदन पत्र
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विनिर्माण
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एचटीसीसी (उच्च तापमान सह-फायर सिरेमिक पीसीबी)
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1600-1700 डिग्री सेल्सियस पर सिंटर किया गया; टंगस्टन या मोलिब्डेनम कंडक्टर का उपयोग करता है; अत्यधिक टिकाऊ और विश्वसनीय; उच्च लागत
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उच्च प्रदर्शन इलेक्ट्रॉनिक्स
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एलटीसीसी (निम्न-तापमान सह-प्रज्वलित सिरेमिक पीसीबी)
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850-900 डिग्री सेल्सियस पर सिंटर किया गया; कांच और सोने/चांदी के पेस्ट का उपयोग किया गया; कम विरूपण, स्थिर
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आरएफ मॉड्यूल, एलईडी प्रकाश व्यवस्था, लघुकृत इलेक्ट्रॉनिक्स
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मोटी फिल्म सिरेमिक पीसीबी
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10–13 μm चांदी, सोना, या पैलेडियम चालक परत; तांबे के ऑक्सीकरण को रोकता है; कठोर वातावरण में विश्वसनीय
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सामान्य उच्च-विश्वसनीयता वाले सिरेमिक सर्किट बोर्ड
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पतली फिल्म सिरेमिक पीसीबी
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नैनो-स्केल चालक/इन्सुलेटिंग पतली परतें; उच्च परिशुद्धता सर्किट का समर्थन करती हैं
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उच्च परिशुद्धता आरएफ और माइक्रोवेव सर्किट, कॉम्पैक्ट डिजाइन
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संरचना
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एकल-परत सिरेमिक पीसीबी
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सरल संरचना; कुशल ऊष्मा अपव्यय
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पावर मॉड्यूल, एलईडी अनुप्रयोग
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बहुपरत सिरेमिक पीसीबी
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स्टैक्ड सिरेमिक सबस्ट्रेट्स; उच्च घनत्व वाले इंटरकनेक्शन का समर्थन करता है
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लघुकृत सर्किट, जटिल इलेक्ट्रॉनिक डिज़ाइन
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उन्नत प्रकार
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एलएएम (लेजर सक्रियण धातुकरण)
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लेजर तांबे को सिरेमिक से मजबूती से जोड़ता है; टिकाऊ और विश्वसनीय
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उच्च प्रदर्शन इलेक्ट्रॉनिक्स
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डीपीसी (डायरेक्ट प्लेटेड कॉपर)
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वैक्यूम स्पटरिंग + इलेक्ट्रोप्लेटिंग; पतली, सटीक तांबे की परत
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उच्च आवृत्ति इलेक्ट्रॉनिक्स
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डीबीसी (डायरेक्ट बॉन्डेड कॉपर)
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सिरेमिक से जुड़ा मोटा तांबा (140–350 μm)
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उच्च-धारा विद्युत मॉड्यूल
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सिरेमिक पीसीबी के अनुप्रयोग
सिरेमिक पीसीबी की बहुमुखी प्रतिभा इसे कई उद्योगों में आवश्यक बनाती है:
• प्रकाश नेतृत्व: उच्च शक्ति वाले एल.ई.डी. को सिरेमिक सब्सट्रेट से लाभ मिलता है, जो हीट सिंक की आवश्यकता को समाप्त कर देता है।
• ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स: ईसीयू, पावर प्रबंधन और ईवी मॉड्यूल में उपयोग किया जाता है जहां कंपन और गर्मी चुनौतियां हैं।
• विमानन व रक्षा: रडार मॉड्यूल, मिसाइल मार्गदर्शन, एवियोनिक्स - चरम स्थितियों में विश्वसनीय सिरेमिक सर्किट बोर्ड।
• दूरसंचार: आरएफ एम्पलीफायर, माइक्रोवेव सर्किट और 5G बुनियादी ढांचे सिग्नल अखंडता के लिए सिरेमिक पीसीबी सब्सट्रेट पर निर्भर करते हैं।
• चिकित्सा उपकरण: प्रत्यारोपण योग्य और नैदानिक उपकरणों के लिए जैव-संगत और रासायनिक रूप से प्रतिरोधी सिरेमिक पीसीबी की आवश्यकता होती है।
• औद्योगिक पावर इलेक्ट्रॉनिक्स: इनवर्टर, कन्वर्टर और नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों को उच्च शक्ति वाले सिरेमिक सब्सट्रेट पीसीबी से लाभ मिलता है।
• सेमीकंडक्टर पैकेजिंग: चिप वाहक और हाइब्रिड माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स उच्च घनत्व और तापीय नियंत्रण के लिए बहुपरत सिरेमिक सर्किट बोर्ड का उपयोग करते हैं।
विनिर्माण प्रक्रिया अवलोकन
सिरेमिक पीसीबी बनाना कोई आसान प्रक्रिया नहीं है। इसमें कई पेशेवर चरण शामिल होते हैं, जिनमें से प्रत्येक अंतिम सर्किट बोर्ड के प्रदर्शन और विश्वसनीयता को प्रभावित करता है।
1. डिज़ाइन और लेआउट
सबसे पहले, सर्किट डिज़ाइन के लिए CAD सॉफ़्टवेयर का उपयोग करें। इंजीनियर विशेष रूप से सिरेमिक PCB की ऊष्मा अपव्यय आवश्यकताओं और उच्च-आवृत्ति सिग्नल संचरण प्रदर्शन पर विचार करेंगे ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि सर्किट लेआउट उचित और विश्वसनीय दोनों हो।
2. सब्सट्रेट तैयारी
सिरेमिक सब्सट्रेट सामग्री (आमतौर पर Al₂O₃ और AlN) को आवश्यक आकार में काटें, और फिर उन्हें पॉलिश करके साफ़ करें। यह कदम यह सुनिश्चित करने के लिए है कि सब्सट्रेट की सतह समतल, धूल और अशुद्धियों से मुक्त हो, जिससे आगे की प्रक्रियाएँ आसान हो जाएँ।
3. स्क्रीन प्रिंटिंग या पतली फिल्म जमाव
चांदी (Ag), सोना (Au), और तांबा (Cu) जैसे प्रवाहकीय पेस्ट सिरेमिक सब्सट्रेट की सतह पर मुद्रित करके सर्किट ट्रेस बनाते हैं। पतली फिल्म प्रक्रिया से महीन प्रवाहकीय परतें भी जमा हो सकती हैं, जिससे यह उच्च-परिशुद्धता वाले सर्किट के लिए उपयुक्त हो जाती है।
4. ड्रिलिंग और धातुकरण के माध्यम से
सब्सट्रेट में छेद बनाने के लिए लेज़र या मैकेनिकल ड्रिलिंग का इस्तेमाल करें। फिर, सर्किट परतों के बीच विश्वसनीय अंतर्संबंध स्थापित करने के लिए छेद के अंदर धातुकरण उपचार किया जाता है।
5. स्टैकिंग और लैमिनेशन
यदि यह एक बहुपरत सिरेमिक पीसीबी है, तो बहुपरत सबस्ट्रेट्स को एक साथ सटीक रूप से संरेखित और लैमिनेट करके एक बहुपरत संरचना बनाई जाएगी। यह उच्च-घनत्व वाले अंतर्संबंधों और अधिक जटिल सर्किट डिज़ाइनों का समर्थन कर सकता है।
6. सिंटरिंग/फायरिंग
लेमिनेटेड सिरेमिक सब्सट्रेट को उच्च तापमान वाली भट्टी में रखा जाता है और 850 से 1700 डिग्री सेल्सियस पर सिंटर किया जाता है, जिससे सिरेमिक और धातु की परतें मजबूती से जुड़ जाती हैं, जिससे सर्किट बोर्ड की स्थिरता और मजबूती सुनिश्चित होती है।
7. सतह खत्म
सर्किट बोर्ड की सतह पर ENIG, ENEPIG, इमर्शन सिल्वर या इमर्शन टिन उपचार किए जाते हैं। ये उपचार सोल्डरेबिलिटी को बेहतर बना सकते हैं और तांबे की परत को ऑक्सीकरण से बचा सकते हैं।
8. असेंबली और परीक्षण
बुनियादी सर्किट कार्यों को पूरा करने के लिए सर्किट बोर्ड पर सरफेस-माउंट डिवाइस (SMD) स्थापित करें। इसके बाद, यह सुनिश्चित करने के लिए कि सिरेमिक पीसीबी सामान्य रूप से काम कर रहा है, विद्युत परीक्षण और तापीय विश्वसनीयता परीक्षण भी किए जाएँगे।
9. अंतिम प्रोफाइलिंग और पैकेजिंग
अंतिम चरण सर्किट बोर्ड को काटना या V-स्कोर करना है ताकि आकार देने की प्रक्रिया पूरी हो सके। योग्य तैयार उत्पादों को सिरेमिक पीसीबी निर्माता द्वारा पैक करके शिपमेंट के लिए तैयार किया जाएगा।
सिरेमिक पीसीबी बनाम FR4 और मेटल कोर पीसीबी
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Feature
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FR4 पीसीबी
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एमसीपीसीबी
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सिरेमिक पीसीबी
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ऊष्मीय चालकता
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~0.3 वॉट/मी·के
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1–5 डब्लू/एम·के
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20+ W/m·K
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लागत
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निम्न
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मध्यम
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हाई
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मशीनी शक्ति
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अच्छा
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उत्कृष्ट
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नाज़ुक
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अनुप्रयोगों
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सामान्य इलेक्ट्रॉनिक्स
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एलईडी, ऑटोमोटिव, बिजली
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एयरोस्पेस, आरएफ, उच्च शक्ति
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• एफआर4: सस्ता लेकिन गर्मी अपव्यय में खराब।
• एमसीपीसीबी: लागत और प्रदर्शन का संतुलन.
• सिरेमिक पीसीबी: बेहतर तापीय चालकता, लेकिन बहुत महंगा।
निष्कर्ष
उच्च-प्रदर्शन इलेक्ट्रॉनिक असेंबली के लिए सिरेमिक पीसीबी एक प्रमुख विकल्प हैं। इनमें उच्च तापीय चालकता, उत्कृष्ट विद्युत प्रदर्शन, टिकाऊपन और रासायनिक संक्षारण प्रतिरोध का संयोजन होता है, और इस प्रकार यह एयरोस्पेस, ऑटोमोबाइल, दूरसंचार, रक्षा, एलईडी और चिकित्सा उपकरणों जैसे क्षेत्रों में तेज़ी से महत्वपूर्ण होता जा रहा है।
यद्यपि सिरेमिक पीसीबी एफआर4 या धातु कोर पीसीबी की तुलना में अधिक महंगे हैं और अधिक नाजुक हैं, वे दीर्घकालिक विश्वसनीयता को बढ़ा सकते हैं, गर्मी अपव्यय आवश्यकताओं को कम कर सकते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों की सेवा जीवन का विस्तार हो सकता है, और कुल मिलाकर लागत में बचत हो सकती है।
