لوحة الدوائر المطبوعة السيراميكية

لوحة الدوائر المطبوعة السيراميكية هي لوحة دوائر مطبوعة صلبة تستخدم مواد خزفية كعوازل أساسية، مثل أكسيد الألومنيوم Al₂O₃، نيتريد الألومنيوم AlN، نيتريد السيليكون Si₃N₄، إلخ، ومغطاة برقاقة نحاسية لتُشكّل الدوائر الموصلة الموصلة. وتنتمي إلى فئة لوحات PCB المتخصصة عالية المستوى. والميزة الأساسية هي أن التوصيل الحراري والعزل ومقاومة درجات الحرارة العالية فيها يفوق بكثير تلك الخاصة بلوحات FR-4 التقليدية.

كPCB خاصة عالية النطاق، تتركز المزايا الأساسية لPCB السيراميكية في الأبعاد الرئيسية مثل تبديد الحرارة ومقاومة درجة الحرارة والعزل والاستقرار، على النحو التالي:

· أداء التبديد الحراري النهائي:

يمكن أن تصل مدى الموصلات الحرارية للرواتب السيرامية (وخاصة نتريد الألومنيوم) إلى 170-230 واط/ ((م · ك) ، وهو أكثر من 500 مرة من بروتوكولات الكربون FR-4 التقليدية (حوالي 0.3 واط/ ((م · ك)). يمكنه أن يقود بسرعة الحرارة المولدة من أجهزة عالية الطاقة، وتقليل ارتفاع درجة حرارة الأجهزة بشكل فعال، وتجنب الفشل الحراري. وهو متوافق مع سيناريوهات كثافة تدفق الحرارة العالية مثل وحدات IGBT و LEDs عالية الطاقة.

· مقاومة الحرارة عالية جداً:

درجة حرارة التشغيل طويلة الأجل يمكن أن تصل إلى أكثر من 200 درجة مئوية ، ودرجة حرارة قصيرة الأجل يمكن أن تتحمل 500 درجة مئوية ، وهو أفضل بكثير من FR-4 PCB (≤ 130 درجة مئوية). يمكن أن تتكيف مع بيئات درجة الحرارة القصوى مثل الطيران والفضاء المعدات الصناعية عالية الحرارة دون التسبب في تشوه أو تقادم الركيزة بسبب درجات الحرارة العالية.

· قوة عزل ممتازة:

جهد الانهيار ≥10 كيلو فولت/مم، أداء العزل يفوق بكثير أداء لوحة الدوائر المطبوعة FR-4، ويمكنها العمل بثبات في الدوائر عالية الجهد، وتجنب مخاطر التسرب والانهيار، وتلبية متطلبات السلامة من العزل لمحطات الشحن والمعدات الصناعية عالية الجهد.

· توافق حراري جيد:

معامل التمدد الحراري للركائز الخزفية قريب من معامل التمدد للرقائق شبه الموصلة (مثل رقائق السيليكون)، مما يمكن من تقليل الإجهاد الحراري الناتج عن التغيرات في درجة الحرارة، وتقليل خطر التشققات أو الفصل عند الوصلة بين الرقاقة والركيزة، وبالتالي تعزيز موثوقية الجهاز وعمره الافتراضي في التغليف.

· الاستقرار الكيميائي والبيئي:

مقاوم للأحماض والقلويات، والإشعاع والتآكل. ولا ينخفض أداؤه في البيئات القاسية مثل الرطوبة والمجالات الكهرومغناطيسية القوية والإشعاع. وهو مناسب لسيناريوهات خاصة مثل الفضاء الجوي والبحري واستكشاف المعدات الصناعية النووية.

· مقاومة ميكانيكية عالية:

تتميز الركائز الخزفية بصلابة عالية ومقاومة قوية للصدمات. وبخاصة لوحة الدوائر الخزفية نيتريد السيليكون، فهي يمكن أن تتحمل إجهادات ميكانيكية مثل الاهتزاز والاصطدام، مما يجعلها مناسبة للظروف التشغيلية التي تتعرض للاهتزاز المتكرر في المركبات ونقل الركاب بالسكك الحديدية.

· فقدان عازل منخفض:

تمتلك المواد الخزفية ثابت عازل مستقر وفقدان عازل منخفض، مما يؤدي إلى فقدان صغير في إرسال الإشارات في الدوائر عالية التردد. وهي مناسبة لتطبيقات التردد العالي مثل وحدات التردد اللاسلكي لمحطة 5G ومعدات الرادار.

تختلف عملية تصنيع لوحة الدوائر الخزفية عن عملية النقش الخاصة بلوحات الدوائر المطبوعة التقليدية FR-4. يرتكز الجوهر على الربط الموثوق بين الركائز الخزفية وطبقات النحاس. ويمكن تصنيف العمليات السائدة إلى الفئات التالية، ولكل منها خصائص تقنية وسياقات تطبيقية خاصة بها:

عملية التصفيح المباشر بطبقة نحاس

· المبدأ الأساسي: تُخضع رقائق النحاس وركيزة السيراميك من أكسيد الألومنيوم/نترات الألومنيوم للحام مشترك عند درجات حرارة عالية (1065~1083℃، بالقرب من نقطة انصهار النحاس). ويتم استخدام التفاعل المشترك بين النحاس-الأكسجين-الخزفي لتكوين طبقة رابطة معدنية، مما يحقق ارتباطًا قويًا بين النحاس والخزف.

· خطوات العملية : تنظيف الركيزة الخزفية → قطع رقائق النحاس → ترصيع رقائق النحاس مع الركيزة الخزفية → التلبيد المشترك في فراغ عند درجة حرارة عالية → التبريد → نقش الدائرة → فحص المنتج النهائي.

· الميزات الرئيسية:

قوة تماسك عالية (مقاومة القص ≥20 ميجا باسكال)، وموصلية حرارية ممتازة (بدون طبقة لصق وسيطة)؛

سمك طبقة النحاس يتوفر بمدى واسع من الخيارات (من 0.1 إلى 3 مم)، ويدعم تصميم الدوائر النحاسية السميكة.

يتميز بمقاومة جيدة للحرارة العالية ومقاومة الصدمات الحرارية، ومناسب للأجهزة عالية القدرة.

العيوب: درجة حرارة التلبيد العالية، ومتطلبات صارمة على المعدات، ويصلح فقط للسيراميك أكسيد الألومنيوم ونترات الألومنيوم، وغير متوافق مع نيتريد السيليكون.

مجالات التطبيق: ركائز وحدات IGBT، وحدات الطاقة لمحطات الشحن، ركائز LED عالية القدرة.

عملية اللحام النشط بالمعادن

· المبدأ الأساسي: بين رقعة النحاس والركيزة السيراميكية، تُضاف مادة لحام تحتوي على معادن نشطة مثل التيتانيوم والزركونيوم. وفي بيئة مفرغة تتراوح بين 800 إلى 950 درجة مئوية، تحدث المعادن النشطة تفاعلًا كيميائيًا مع سطح السيراميك لتكوين روابط كيميائية، وفي الوقت نفسه تنصهر مادة اللحام لتثبيت رقعة النحاس بالركيزة السيراميكية.

· خطوات العملية: معالجة أولية للركيزة الخزفية → طلاء باللصاق → ترقق رقاقة النحاس مع الخزف → لحام فراغي → معالجة الدائرة → المعالجة اللاحقة.

· الميزات الرئيسية:

تتمتع بقدرة تكيف واسعة ويمكن استخدامها على جميع الركائز الخزفية مثل أكسيد الألومنيوم، نيتريد الألومنيوم، نيتريد السيليكون، إلخ.

درجة حرارة التلبيد أقل من DBC، وبالتالي تسبب ضررًا أقل للركيزة الخزفية.

قوة ارتباط عالية ومقاومة ممتازة للتغيرات الحرارية (لا يوجد فشل بعد ≥1000 دورة في مدى درجات حرارة من -40 إلى 150 مئوية).

العيوب: تكلفة لحام اللصاق مرتفعة، ومعقدة أكثر من DBC من حيث العملية.

حالات الاستخدام: ثنائيات نيتريد السيليكون الخزفية لقطاع الطيران والفضاء، وركائز طاقة عالية الموثوقية للمركبات.

عملية الفيلم السميك

· المبدأ الأساسي: يتم طلاء عجينة معدنية (فضة، نحاس، سبيكة فضة-بلاديوم) على سطح الركيزة الخزفية عن طريق الطباعة الشبكية. وبعد التلبيد عند درجات حرارة عالية، تتصلب العجينة المعدنية لتشكيل دوائر كهربائية موصلة، مما يلغي الحاجة إلى طلاء رقاقة النحاس.

· خطوات العملية: تنظيف الركيزة الخزفية → طباعة الشاشة للعجينة المعدنية → التجفيف → التلبيد عالي الحرارة → الطباعة/التلبيد المتعددة (تثخين الدائرة حسب الحاجة) → طباعة طبقة العزل (في حال وجود طبقات متعددة) مطلوبة) → فحص المنتج النهائي.

· الميزات الرئيسية:

العملية مرنة، قادرة على تصنيع دوائر دقيقة ودعم الأسلاك متعددة الطبقات.

تتميز بتكاليف نسبيًا منخفضة ومناسبة للإنتاج الصغير والخاص بالطلب.

العيوب: توصيلية حرارية للدائرة أقل من تلك الخاصة بعملية النحاس المغلف، وعجينة النحاس معرّضة للأكسدة، والموثوقية أقل قليلاً.

الحالات المناسبة: لوحات دوائر أجهزة الاستشعار الصغيرة، لوحات الدوائر الكهربائية الخزفية عالية التردد للمعدات الطبية، الركائز الخزفية منخفضة المستوى.

عملية الخزف المشتعلة عند درجات حرارة منخفضة

· المبدأ الأساسي: يتم مزج مسحوق السيراميك مع مواد رابطة عضوية لتشكيل أشرطة سيراميك خام. تُثقب فتحات ويتم حشوها بمادة معدنية (فضة، نحاس) على الأشرطة الخزفية الخام لتكوين دوائر/أعمدة توصيل. بعد تراص عدة طبقات من الأشرطة الخزفية الخام، يتم حرقها معًا عند درجات حرارة منخفضة لتكوين دارات مطبوعة سيراميكية متعددة الطبقات دفعة واحدة.

· خطوات العملية: تحضير شرائح الخزف الخام → الحفر → الحشو بالمعجون المعدني → التصفيح والتراص → الحرق المشترك عند درجة حرارة منخفضة → الطلاء المعدني للسطح → فحص المنتج النهائي.

· الميزات الرئيسية:

يمكنه تحقيق توصيلات متعددة الطبقات بكثافة عالية ودمج مكونات سلبية (مقاومات، مكثفات) داخل الركيزة.

دقة أبعاد عالية، مع معامل تمدد حراري يطابق معامل تمدد رقائق أشباه الموصلات؛

العيوب: عملية معقدة، دورة إنتاج طويلة، تكلفة عالية، وسمك خط محدود.

مجالات التطبيق: وحدات الاتصالات اللاسلكية في محطات قاعدة 5G، لوحات الدوائر المطبوعة السيراميكية المصغرة للصناعات الجوية والفضائية، ومعدات الاتصالات عالية التردد.

عملية السيراميك المحروقة عند درجة حرارة عالية

· المبدأ الأساسي: يشبه تقنية LTCC، ولكن باستخدام مسحوق سيراميك نقي، حيث تصل درجة حرارة التلبيد إلى 1500-1600℃، وتُستخدم معاجن معدنية من معادن عالية الانصهار مثل التングستن والموليبدينوم.

· الميزات الرئيسية:

يتميز السيراميك بكثافة عالية، وقوته الميكانيكية ومقاومته للحرارة العالية تفوق بكثير تلك الخاصة بـ LTCC.

العيوب: درجة حرارة التلبيد مرتفعة للغاية، وتوصيلية المعجون المعدني ضعيفة، والتكلفة باهظة.

السيناريوهات المناسبة: البيئات شديدة الحرارة، والألواح السيراميكية (PCBs) المستخدمة في معدات الصناعة النووية.

تُستخدم اللوحات الخزفية المطبوعة (PCB) نظرًا لموصلتها الحرارية الممتازة، ومقاومتها للحرارة العالية، والعزل الجيد، بشكل رئيسي في السيناريوهات الراقية التي تتطلب متطلبات صارمة للتبريد والموثوقية. وتشمل المجالات الأساسية والتطبيقات المحددة ما يلي:

في مجال مركبات الطاقة الجديدة

· المكونات الأساسية: وحدة طاقة محطة الشحن، العاكس المحمّل على المركبة، وحدة التحكم بالمحرك، اللوحة عالية الجهد في نظام إدارة البطارية، ركيزة مشغل مصباح السيارة LED.

· أسباب الاستخدام:

يمكنها تحمل تيارات كبيرة، وتبدد الحرارة بسرعة، وتصمد أمام بيئة درجات الحرارة المتغيرة بين المرتفعة والمنخفضة داخل المركبات، مما يضمن التشغيل المستقر للأجهزة الكهربائية، ويحقق متطلبات الموصلية الحرارية الفائقة للوحات الخزفية النترية الألومنيوم (AlN) PCB. متطلبات الموصلية الحرارية للوحات الخزفية النترية الألومنيوم (AlN) PCB.

مجال أشباه الموصلات والأجهزة الكهربائية

· المكونات الأساسية: ركيزة وحدة IGBT، ركيزة تغليف MOSFET، ركيزة تبديد حرارة LED عالية القدرة، ركيزة تغليف ديود الليزر، ركيزة مضخم الطاقة RF.

· أسباب الاستخدام: يتطابق معامل التمدد الحراري للركائز الخزفية مع معامل التمدد الحراري لرقائق أشباه الموصلات، مما يقلل من فشل الإجهاد الحراري. وتتجاوز توصيلية الحرارة الخاصة بها بكثير تلك الخاصة بـ FR-4، ما يحل مشكلة تبديد الحرارة في الأجهزة عالية القدرة. ومن بينها، تُستخدم الركائز الخزفية لوحات الدوائر المطبوعة بالتقنية السميكة (Thick-film) في متطلبات الإنتاج الضخم للإضاءة الصمامية (LEDs).

مجالات الطيران والفضاء والصناعات العسكرية

· المكونات الأساسية: وحدة طاقة الرادار الجوي، لوحة توزيع الطاقة للقمر الصناعي، لوحة تحكم محرك الصاروخ، لوحة الدوائر الخاصة بنظام توجيه القذيفة، لوحة محرك قيادة عالية القدرة للطائرة المُسيرة.

· أسباب الاستخدام:

تتميّز ركائز السيليكون النتريدي (Si₃N₄) أو لوحات الدوائر المطبوعة الخزفية المصنوعة بتقنية HTCC بمقاومتها للدرجات الحرارية القصوى، والاهتزاز، والصدمات، والإشعاع، ما يجعلها مناسبة للظروف القاسية في مجالات الفضاء والدفاع. الصناعات.

مجال المعدات الطبية

· المكونات الأساسية: الركيزة الكهربائية لسكين الجراحة الكهربائية عالية التردد، لوحة المضخم للتدرج في التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، لوحة تحكم أجهزة العلاج بالليزر، وحدة مصدر الطاقة عالية الجهد لجهاز التنفس الصناعي.

· أسباب الاستخدام:

قوة عزل عالية (تجنب خطر التسرب)، مقاومة لدرجة الحرارة العالية، نقل إشارة مستقر، تلبية معايير السلامة والموثوقية لمعدات الطبية، وتكلفة أداء الألومينا اللوحة الخزفية الكهربائية مناسبة للسيناريوهات الطبية التقليدية.

مجال التحكم الصناعي والمعدات عالية الجودة

· المكونات الأساسية: ركيزة معدات التسخين الحثية عالية التردد، وحدة طاقة المحول، لوحة سائق الروبوت الصناعي، لوحة إشارة المستشعر عالي الحرارة، لوحة الطاقة للمحول الفوتوفولطيقي.

· أسباب الاستخدام:

مقاوم للحرارة العالية والرطوبة والاهتزاز في البيئات الصناعية، التوصيل الحراري العالي للوحات DBC/AMB الخزفية يضمن التشغيل المستقر على المدى الطويل للأجهزة عالية القدرة معدات التحكم الصناعية.

مجال الاتصالات 5G والتواصل اللاسلكي عالي التردد

· المكونات الأساسية: وحدة الطاقة الراديوية لمحطة قاعدة 5G، ركيزة رادار الموجات الملليمترية، لوحة عالية التردد لمعدات الاتصالات عبر الأقمار الصناعية.

· أسباب الاستخدام:

يمكن لوحات الدوائر الخزفية المصنوعة بتقنية LTCC أن تحقق دمغًا عالي الكثافة وتضمين مكونات سلبية، مع فقدان عازل منخفض، مما يجعلها مناسبة لنقل الإشارات عالية التردد، وفي الوقت نفسه تفي بمتطلبات تبديد الحرارة لأجهزة الطاقة في محطات القاعدة. متطلبات تبديد الحرارة لأجهزة الطاقة في محطات القاعدة.

مجالات البيئات القصوى الخاصة

· المكونات الأساسية: لوحة تحكم معدات الصناعة النووية، ولوحة دوائر روبوت استكشاف المحيطات العميقة، وركيزة مستشعر الفرن الصناعي عالي الحرارة.

· أسباب الاستخدام:

لوحات الدوائر الخزفية مقاومة للإشعاع والتآكل ودرجات الحرارة العالية. ولا يتأثر أداؤها في البيئات القصوى مثل الإشعاع النووي والضغط العالي في أعماق البحار ودرجة حرارة الأفران العالية. تناسب لوحات الدوائر الخزفية المصنوعة من أكسيد البريليوم سيناريوهات الصناعة النووية.