Κεραμικό PCB

Κεραμικό PCB είναι ένα σκληρό πλακάκι που χρησιμοποιεί κεραμικά υλικά ως μονωτικά υποστρώματα, όπως οξείδιο του αλουμινίου Al₂O₃, νιτρίδιο του αλουμινίου AlN, νιτρίδιο του πυριτίου Si₃N₄, κ.α., και επικαλύπτεται με φύλλο χαλκού για τη δημιουργία αγώγιμων κυκλωμάτων. Ανήκει στα ειδικά PCB υψηλής ποιότητας. Το βασικό χαρακτηριστικό του είναι ότι η θερμική αγωγιμότητα, η μόνωση και η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες υπερβαίνουν κατά πολύ εκείνες των παραδοσιακών PCB FR-4.

Ως ένα υψηλής ποιότητας ειδικό PCB, τα βασικά πλεονεκτήματα του κεραμικού PCB εστιάζονται σε κρίσιμες διαστάσεις όπως η απαγωγή θερμότητας, η αντοχή στη θερμοκρασία, η μόνωση και η σταθερότητα, ως εξής:

· Απόδοση απαγωγής θερμότητας στο έπακρο:

Η θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών υποστρωμάτων (ειδικά του νιτριδίου του αλουμινίου) μπορεί να φτάσει τα 170-230 W/(m·K), το οποίο είναι περισσότερο από 500 φορές υψηλότερο από τα παραδοσιακά FR-4 PCB (περίπου 0,3 W/(m·K)). Μπορεί να διαγάγει γρήγορα τη θερμότητα που παράγεται από υψηλής ισχύος συσκευές, μειώνοντας αποτελεσματικά την αύξηση της θερμοκρασίας των συσκευών και αποφεύγοντας θερμικές βλάβες. Είναι συμβατό με σενάρια υψηλής πυκνότητας θερμικής ροής, όπως τα μοντούλα IGBT και τα υψηλής ισχύος LED.

· Εξαιρετική αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες:

Η μακροπρόθεσμη λειτουργία μπορεί να φτάσει πάνω από 200℃, ενώ σύντομα μπορεί να αντέξει θερμοκρασίες έως 500℃, γεγονός πολύ ανώτερο από το FR-4 PCB (≤130℃). Μπορεί να προσαρμοστεί σε εξαιρετικά θερμικά περιβάλλοντα όπως τα αεροδιαστημικά και βιομηχανικός εξοπλισμός υψηλής θερμοκρασίας χωρίς παραμόρφωση ή γήρανση του υποστρώματος λόγω υψηλών θερμοκρασιών.

· Άριστη μονωτική αντοχή:

Τάση διάσπασης ≥10 kV/mm, μονωτική απόδοση πολύ υψηλότερη από αυτή των PCB FR-4, μπορεί να λειτουργεί σταθερά σε κυκλώματα υψηλής τάσης, αποφεύγοντας κινδύνους διαρροής και διάσπασης, και να πληροί τις απαιτήσεις ασφάλειας μόνωσης για σταθμούς φόρτισης και εξοπλισμό βιομηχανικού ελέγχου υψηλής τάσης. τάσης βιομηχανικού ελέγχου.

· Καλή θερμική συμβατότητα:

Ο συντελεστής θερμικής διαστολής των κεραμικών υποστρωμάτων είναι κοντά σε αυτόν των ημιαγωγών (όπως τα πυριτίου) και μπορεί να μειώσει τη θερμική τάση που προκαλείται από αλλαγές θερμοκρασίας, μειώνοντας τον κίνδυνο ρωγμών και αποκόλλησης στη σύνδεση μεταξύ του τσιπ και του υποστρώματος, και αυξάνοντας την αξιοπιστία και τη διάρκεια ζωής της συσκευασίας της συσκευής. τη σύνδεση μεταξύ του τσιπ και του υποστρώματος, και ενισχύοντας την αξιοπιστία και τη διάρκεια ζωής της συσκευασίας της συσκευής.

· Χημική και περιβαλλοντική σταθερότητα:

Ανθεκτικό σε οξέα, αλκάλια, ακτινοβολία και διάβρωση. Η απόδοσή του δεν μειώνεται σε δύσκολα περιβάλλοντα όπως υγρασία, ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία και ακτινοβολία. Είναι κατάλληλο για ειδικά σενάρια όπως αεροδιαστημική, θαλάσσια εξερεύνηση και εξοπλισμός βιομηχανίας πυρηνικής ενέργειας.

· Υψηλή μηχανική αντοχή:

Τα κεραμικά υποστρώματα έχουν υψηλή σκληρότητα και ισχυρή αντοχή σε κρούσεις. Ειδικά οι πλακέτες κυκλώματος από νιτρίδιο πυριτίου, μπορούν να αντέξουν μηχανικές τάσεις όπως δόνηση και κρούση, καθιστώντας τις κατάλληλες για συνθήκες εργασίας με συχνές δονήσεις σε οχήματα και σιδηροδρομικές μεταφορές.

· Χαμηλές διηλεκτρικές απώλειες:

Τα κεραμικά υλικά έχουν σταθερή διηλεκτρική σταθερά και χαμηλές διηλεκτρικές απώλειες, με αποτέλεσμα μικρές απώλειες μετάδοσης σήματος σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας. Είναι κατάλληλα για εφαρμογές υψηλής συχνότητας όπως RF μονάδες σταθμών βάσης 5G και εξοπλισμός ραντάρ.

Η διαδικασία κατασκευής των κεραμικών πλακετών κυκλώματος διαφέρει από τη διαδικασία χάραξης των παραδοσιακών FR-4 PCBS. Το επίκεντρο είναι η αξιόπιστη σύνδεση των κεραμικών υποστρωμάτων με τα στρώματα χαλκού. Οι κύριες διαδικασίες μπορούν να ταξινομηθούν στις ακόλουθες κατηγορίες, καθεμία με τα δικά της τεχνικά χαρακτηριστικά και εφαρμόσιμα σενάρια:

Διαδικασία άμεσης επικόλλησης χαλκού

· Βασική αρχή: Το φύλλο χαλκού και το κεραμικό υπόστρωμα οξειδίου του αλουμινίου/νιτριδίου του αλουμινίου υποβάλλονται σε ευτηκτική συγκόλληση σε υψηλές θερμοκρασίες (1065~1083℃, κοντά στο σημείο τήξης του χαλκού). Η ευτηκτική αντίδραση χαλκού-οξυγόνου-κεραμικού χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός μεταλλουργικού συνδετικού στρώματος, επιτυγχάνοντας στιβαρή σύνδεση μεταξύ χαλκού και κεραμικού.

· Βήματα διαδικασίας : Καθαρισμός κεραμικού υποστρώματος → κοπή χαλκού φύλλου → Επίστρωση χαλκού και κεραμικού υλικού → υψηλής θερμοκρασίας κενού ευτηκτική συγκόλληση → ψύξη → Προσβολή κυκλώματος → έλεγχος τελικού προϊόντος.

· Βασικά χαρακτηριστικά:

Υψηλή αντοχή σύνδεσης (αντοχή διάτμησης ≥20MPa), εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα (χωρίς ενδιάμεσο στρώμα σύνδεσης);

Το πάχος του στρώματος χαλκού προσφέρει μεγάλη ποικιλία επιλογών (0,1 έως 3 mm) και υποστηρίζει το σχεδιασμό κυκλωμάτων με παχύ χαλκό.

Διαθέτει καλή αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες και αντίσταση σε θερμικές κρούσεις, κατάλληλο για υψηλής ισχύος συσκευές.

Μειονεκτήματα: Υψηλή θερμοκρασία συγκόλλησης, αυστηρές απαιτήσεις για τον εξοπλισμό, κατάλληλο μόνο για κεραμικά οξειδίου του αλουμινίου και νιτριδίου του αλουμινίου, όχι συμβατό με νιτρίδιο του πυριτίου.

Εφαρμόσιμα σενάρια: Υποστρώματα IGBT μονάδας, μονάδες ισχύος για σταθμούς φόρτισης, υποστρώματα υψηλής ισχύος LED.

Διαδικασία ενεργούς μεταλλικής συγκόλλησης

· Βασική αρχή: Μεταξύ του φύλλου χαλκού και του κεραμικού υποστρώματος προστίθεται συγκόλληση που περιέχει ενεργά μέταλλα όπως το τιτάνιο και το ψευδάργυρο. Σε κενό περιβάλλον 800 έως 950℃, τα ενεργά μέταλλα αντιδρούν χημικά με την κεραμική επιφάνεια δημιουργώντας χημικούς δεσμούς, ενώ η συγκόλληση τήκεται για να ενώσει το φύλλο χαλκού με το κεραμικό. η αντίδραση με την κεραμική επιφάνεια δημιουργεί χημικούς δεσμούς, ενώ η συγκόλληση τήκεται για να ενώσει το φύλλο χαλκού με το κεραμικό.

· Βήματα διαδικασίας: Προ-επεξεργασία κεραμικού υποστρώματος → Επίστρωση συγκόλλησης → Διάταξη φύλλου χαλκού και κεραμικού → Συγκόλληση κενού → Επεξεργασία κυκλώματος → Μετα-επεξεργασία.

· Βασικά χαρακτηριστικά:

Έχει ευρεία προσαρμοστικότητα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλα τα κεραμικά υποστρώματα όπως αλουμίνα, νιτρίδιο του αλουμινίου, νιτρίδιο του πυριτίου, κ.λπ.

Η θερμοκρασία συμπύκνωσης είναι χαμηλότερη από τη DBC, προκαλώντας λιγότερη ζημιά στο κεραμικό υπόστρωμα.

Υψηλή αντοχή σύνδεσης και εξαιρετική αντοχή σε κύκλους ψύξης-θέρμανσης (χωρίς βλάβη μετά από ≥1000 κύκλους σε -40 έως 150℃).

Μειονεκτήματα: Το κόστος της συγκόλλησης είναι υψηλό, και η πολυπλοκότητα της διαδικασίας είναι μεγαλύτερη από τη DBC.

Εφαρμόσιμα σενάρια: Πλακέτες από κεραμικό νιτρίδιο πυριτίου για αεροδιαστημική, υποστρώματα υψηλής αξιοπιστίας για οχήματα.

Διαδικασία παχέος φιλμ

· Βασική αρχή: Η μεταλλική αιώρηση (άργυρος, χαλκός, κράμα παλλαδίου-αργύρου) επικαλύπτεται στην επιφάνεια του κεραμικού υποστρώματος μέσω τυπογραφίας με σίτα. Μετά την υψηλής θερμοκρασίας συντήξιμη διαδικασία, η μεταλλική αιώρηση στερεοποιείται και δημιουργεί αγώγιμα κυκλώματα, εξαλείφοντας την ανάγκη για επικάλυψη φύλλου χαλκού.

· Βήματα διαδικασίας: Καθαρισμός κεραμικού υποστρώματος → Τυπογραφία με σίτα της μεταλλικής πάστας → αποξήρανση → υψηλής θερμοκρασίας συντήξιμη διαδικασία → πολλαπλές εκτυπώσεις/συντήξεις (πάχυνση του κυκλώματος όπως απαιτείται) → Εκτύπωση μονωτικού στρώματος (αν χρειάζονται πολλαπλά στρώματα) → έλεγχος τελικού προϊόντος.

· Βασικά χαρακτηριστικά:

Η διαδικασία είναι εύκαμπτη, ικανή να κατασκευάζει λεπτά κυκλώματα και να υποστηρίζει πολυεπίπεδη καλωδίωση.

Έχει σχετικά χαμηλό κόστος και είναι κατάλληλη για παραγωγή μικρών παρτίδων και προσαρμοσμένων προϊόντων.

Μειονεκτήματα: Η θερμική αγωγιμότητα του κυκλώματος είναι χαμηλότερη από αυτή της διαδικασίας με επίστρωση χαλκού, η πάστα χαλκού έχει τάση να οξειδώνεται και η αξιοπιστία είναι ελαφρώς κατώτερη.

Εφαρμόσιμα σενάρια: Κυκλώματα πλακετών για μικρούς αισθητήρες, πλακέτες υψηλής συχνότητας από κεραμικό για ιατρικό εξοπλισμό, κεραμικά υποστρώματα χαμηλού επιπέδου.

Διαδικασία συνψήσεως σε χαμηλή θερμοκρασία

· Βασική αρχή: Η κεραμική σκόνη αναμιγνύεται με οργανικούς δεσμευτές για να σχηματιστούν αρχικές κεραμικές ταινίες. Διατρήσεις γίνονται και μεταλλική πάστα (άργυρος, χαλκός) εισάγεται στις αρχικές κεραμικές ταινίες για να σχηματιστούν κυκλώματα/διαύλους. Αφού πολλαπλές στοιβάδες αρχικών κεραμικών ταινιών συγκολληθούν, ψήνονται σε χαμηλή θερμοκρασία για να σχηματιστούν πολυστρωματικές κεραμικές πλακέτες σε ένα βήμα.

· Βήματα διαδικασίας: Παρασκευή αρχικών κεραμικών ταινιών → Διάτρηση → Γέμισμα με μεταλλική πάστα → Συγκόλληση και στοίβαξη → Συνψήσεις σε χαμηλή θερμοκρασία → Μεταλλοποίηση επιφάνειας → Έλεγχος τελικού προϊόντος.

· Βασικά χαρακτηριστικά:

Μπορεί να επιτύχει υψηλής πυκνότητας πολυστρωματική καλωδίωση και να ενσωματώσει παθητικά εξαρτήματα (αντιστάσεις, πυκνωτές) μέσα στο υπόστρωμα.

Υψηλή διαστατική ακρίβεια, με συντελεστή θερμικής διαστολής που ταιριάζει με αυτόν των ημιαγωγικών τσιπ·

Μειονεκτήματα: Πολύπλοκη διαδικασία, μεγάλος κύκλος, υψηλό κόστος και περιορισμένο πάχος γραμμής.

Εφαρμόσιμα σενάρια: RF μονάδες σταθμών βάσης 5G, μικροσκοπικές κεραμικές πλακέτες pcb για αεροδιαστημική, εξοπλισμός εξαρτημένος σε υψηλές συχνότητες επικοινωνίας.

Διαδικασία συγκολλήσεως κεραμικού υλικού σε υψηλή θερμοκρασία

· Βασική αρχή: Παρόμοια με την LTCC, αλλά χρησιμοποιώντας καθαρή κεραμική σκόνη, η θερμοκρασία συμπυκνώσεως φτάνει τους 1500 έως 1600℃, ενώ η μεταλλική πάστα χρησιμοποιεί μέταλλα υψηλού σημείου τήξης όπως βολφράμιο και μολυβδαίνιο.

· Βασικά χαρακτηριστικά:

Το κεραμικό υλικό έχει υψηλή πυκνότητα, και η μηχανική του αντοχή και η αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες υπερβαίνει κατά πολύ αυτές της LTCC.

Μειονεκτήματα: Η θερμοκρασία συμπυκνώσεως είναι εξαιρετικά υψηλή, η αγωγιμότητα της μεταλλικής πάστας είναι κακή, και το κόστος είναι υψηλό.

Εφαρμοστέα σενάρια: Περιβάλλοντα εξαιρετικά υψηλών θερμοκρασιών, κεραμικές πλακέτες pcb για εξοπλισμό πυρηνικής βιομηχανίας.

Τα κεραμικά PCBS, λόγω της εξαιρετικής θερμικής αγωγιμότητας, της αντοχής στην υψηλή θερμοκρασία και της μόνωσης, χρησιμοποιούνται κυρίως σε υψηλού επιπέδου εφαρμογές με αυστηρές απαιτήσεις ως προς τη διαχείριση θερμότητας και την αξιοπιστία. Οι βασικοί τομείς και συγκεκριμένες εφαρμογές είναι οι ακόλουθοι:

Στον τομέα των οχημάτων νέας ενέργειας

· Βασικά συστατικά: Μονάδα ισχύος φορτιστή, ενσωματωμένος αντιστροφέας οχήματος, ελεγκτής κινητήρα, πλακέτα υψηλής τάσης του συστήματος διαχείρισης μπαταριών, υπόστρωμα οδηγού φώτων οχήματος LED.

· Λόγοι εφαρμογής:

Μπορεί να μεταφέρει μεγάλα ρεύματα, να αποβάλλει γρήγορα τη θερμότητα, να αντέχει στο εναλλασσόμενο περιβάλλον υψηλών και χαμηλών θερμοκρασιών στα οχήματα, να εξασφαλίζει τη σταθερή λειτουργία των ηλεκτρικών συσκευών και να πληροί τις υπερυψηλές απαιτήσεις θερμικής αγωγιμότητας των πλακών PCB από κεραμικό νιτρίδιο του αλουμινίου.

Ο τομέας των ημιαγωγών και των ηλεκτρικών συσκευών

· Βασικά συστατικά: Υπόστρωμα μονάδας IGBT, υπόστρωμα συσκευασίας MOSFET, υπόστρωμα απαγωγής θερμότητας υψηλής ισχύος LED, υπόστρωμα συσκευασίας λέιζερ διόδου, υπόστρωμα ενισχυτή RF ισχύος.

· Λόγοι εφαρμογής: Ο συντελεστής θερμικής διαστολής των κεραμικών υποστρωμάτων ταιριάζει με αυτόν των ημιαγώγιμων τσιπ, μειώνοντας τη θερμική τάση και την αστοχία. Η θερμική αγωγιμότητά τους υπερβαίνει κατά πολύ αυτήν του FR-4, επιλύοντας το πρόβλημα απαγωγής θερμότητας των συσκευών υψηλής ισχύος. Ανάμεσα σε αυτά, οι πλάκες PCB από κεραμικό με διαδικασία παχέος φιλμ είναι κατάλληλες για τις απαιτήσεις μαζικής παραγωγής των LED.

Πεδία αεροδιαστημικής και στρατιωτικής βιομηχανίας

· Βασικά συστατικά: Μονάδα ισχύος ραντάρ αέρος, πίνακας διανομής ισχύος δορυφόρου, πίνακας ελέγχου κινητήρα πυραύλου, πλακέτα συστήματος καθοδήγησης πυραύλου, πλακέτα οδήγησης υψηλής ισχύος για μη επανδρωμένο αεροσκάφος.

· Λόγοι εφαρμογής:

Οι κεραμικές πλακέτες PCB με βάση νιτρίδιο του πυριτίου (Si₃N₄) ή με διαδικασία HTCC αντέχουν σε ακραίες θερμοκρασίες, κραδασμούς, κτυπήματα και ακτινοβολία, γεγονός που τις καθιστά κατάλληλες για σκληρές συνθήκες λειτουργίας στον αεροδιαστημικό και στρατιωτικό τομέα. βιομηχανιών.

Το πεδίο του ιατρικού εξοπλισμού

· Βασικά συστατικά: Υπόστρωμα ισχύος υψηλής συχνότητας για ηλεκτροχειρουργικό μαχαίρι, πλακέτα ενισχυτή κλίσης μαγνητικής τομογραφίας (MRI), πλακέτα ελέγχου εξοπλισμού λέιζερ, μονάδα υψηλής τάσης για αναπνευστήρα.

· Λόγοι εφαρμογής:

Υψηλή μονωτική αντοχή (αποφυγή κινδύνου διαρροής), αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, σταθερή μετάδοση σήματος, συμμόρφωση με τα πρότυπα ασφάλειας και αξιοπιστίας των ιατρικών συσκευών, ικανοποιητική σχέση κόστους-απόδοσης με χρήση αλουμίνας. η κεραμική πλακέτα PCB είναι κατάλληλη για συνηθισμένα ιατρικά σενάρια.

Ο τομέας του βιομηχανικού ελέγχου και του υψηλού επιπέδου εξοπλισμού

· Βασικά συστατικά: Υπόστρωμα εξοπλισμού επαγωγικής θέρμανσης υψηλής συχνότητας, μονάδα τροφοδοσίας μετατροπέα συχνότητας, πινακίδα σερβοοδηγού βιομηχανικού ρομπότ, πινακίδα σήματος αισθητήρα υψηλής θερμοκρασίας, πινακίδα ισχύος φωτοβολταϊκού αντιστροφέα.

· Λόγοι εφαρμογής:

Ανθεκτικό σε υψηλές θερμοκρασίες, υγρασία και δόνηση σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, η υψηλή θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών PCB διεργασιών DBC/AMB εξασφαλίζει τη μακροπρόθεσμη σταθερή λειτουργία εξοπλισμού υψηλής ισχύος εξοπλισμού βιομηχανικού ελέγχου.

Ο τομέας των επικοινωνιών 5G και της ραδιοσυχνότητας

· Βασικά συστατικά: rF μονάδα ισχύος σταθμού βάσης 5G, υπόστρωμα ραντάρ μικρομέτρων, πλακέτα υψηλής συχνότητας για εξοπλισμό δορυφορικών επικοινωνιών.

· Λόγοι εφαρμογής:

Τα κεραμικά PCB διεργασίας LTCC μπορούν να επιτύχουν υψηλή πυκνότητα ενσωμάτωσης και ενσωμάτωση παθητικών εξαρτημάτων, με χαμηλές διηλεκτρικές απώλειες, κατάλληλα για μετάδοση υψηλής συχνότητας σημάτων, και ταυτόχρονα να πληρούν τις απαιτήσεις απορρόφησης θερμότητας των ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος του σταθμού βάσης.

Ειδικοί τομείς εξαιρετικά ακραίων περιβαλλόντων

· Βασικά συστατικά: Πίνακας ελέγχου εξοπλισμού βιομηχανίας πυρηνικής ενέργειας, πλακέτα κυκλώματος ρομπότ εξερεύνησης βαθέων θαλασσών, υπόστρωμα αισθητήρα υψηλής θερμοκρασίας για βιομηχανικό φούρνο.

· Λόγοι εφαρμογής:

Τα κεραμικά PCB αντέχουν στην ακτινοβολία, τη διάβρωση και τις υψηλές θερμοκρασίες. Η απόδοσή τους δεν μειώνεται σε ακραία περιβάλλοντα, όπως η πυρηνική ακτινοβολία, η υψηλή πίεση στα βαθιά θαλάσσια και οι υψηλές θερμοκρασίες. τα πλακέτα PCB από κεραμικό οξείδιο του βηρυλλίου είναι κατάλληλα για σενάρια στην πυρηνική βιομηχανία.