Keraamiline PCB

Mis on keramiline PCB?

Keraamiline PCB on kõva trükkplaat, mis kasutab isoleermaterjalina keraamilisi materjale, nagu alumiiniumoksiid Al₂O₃, alumiiniumnitriid AlN, räsinitriid Si₃N₄ jne, ja mille peal on vasefoolium, et moodustada juhtivad ahelad. See kuulub kõrge klassi eritrükkplaatide hulka. Peamine omadus on see, et selle soojusjuhtivus, isoleerivus ja kõrgetemperatuuriline vastupidavus ületavad oluliselt traditsiooniliste FR-4 trükkplaatide omadusi.

Kui kõrgetasemeline eripuu, on keraamilise puu põhieelistused keskendunud oluliste parameetritele, nagu soojusjuhtivus, temperatuurikindlus, isoleeritus ja stabiilsus, järgmiselt:

· Maksimaalne soojusjuhtivus:

Keraamiliste alusmaterjalide (eriti alumiiniumnitriidi) soojusjuhtivus võib ulatuda 170–230 W/(m · K), mis on üle 500 korda suurem kui traditsioonilistel FR-4 puudel (umbes 0,3 W/(m · K)). See suudab kiiresti juhtida kõrge võimsusega seadmete poolt tekitatud soojust, vähendada seadmete temperatuuritõusu ja vältida kuumustõrget. See on sobiv kõrge soojuskoormusega olukordadeks, nagu IGBT-moodulid ja kõrge võimsusega valgusdiodid. kõrge võimsusega seadmete, tõhusalt vähendades seadmete temperatuuritõusu ja vältides kuumustõrget. See on sobiv kõrge soojuskoormusega olukordadeks, nagu IGBT-moodulid ja kõrge võimsusega valgusdiodid.

· Erakordselt kõrge temperatuurikindlus:

Pikaaegne töötemperatuur võib ületada 200 °C ja lühiajaliselt talub kuni 500 °C, mis on märksa parem kui FR-4 puu (≤130 °C). See suudab kohanduda äärmuslike temperatuuritingimustega keskkondades, nagu kosmosetehnika ja tööstuslikku kõrgetemperatuurset varustust, põhjakihi deformatsiooni või vananemise tõttu kõrge temperatuuri tõttu tekkimata.

· Väga hea isoleeriv tugevus:

Läbipukkepinge ≥10 kV/mm, isoleeriv jõudlus ületab märkimisväärselt FR-4 printplaatide omadusi, võimaldab stabiilset tööd kõrgpingeahelates, vältib lekke- ja läbipukkeriski ning vastab laadimispostide ja kõrg- pinge tööstusliku juhtseadme isoleerimise ohutusnõuetele.

· Hea soojuslik ühilduvus:

Keraamiliste alusplaatide soojendilaiulamiskordaja on lähedal pooljuhtplaadile, mis vähendab temperatuirmuutustest tingitud soojuspinget, alandab pragunemise ja lahtikukkumise ohtu pakendamise usaldusväärsust ja eluiga.

· Keemiline ja keskkonnastabiilsus:

Takistab hapetele, leelistele, kiirgusele ja korrosioonile. Selle toimetus ei langeneta rasketes keskkondades, nagu niiskus, tugevad elektromagnetväljad ja kiirgus. See on sobiv erilisteks stsenaariumideks, nagu kosmos, merendus uurimis- ja tuumaettevõtluse seadmetes.

· Kõrge mehaaniline tugevus:

Keraamilised alusmaterjalid on kõvad ja vastupidavad löögiõõnestusele. Eriliselt niitridekeraamiline plokivahe, suudab taluda vibratsiooni ja kokkupõrkeid, mistõttu sobib see sagedaste vibreerivate töötingimustega sõidukitesse ja raudtee transiiti.

· Väike dielektrilise kaotus:

Keraamilised materjalid omavad stabiilset dielektrilist konstanti ja väikest dielektrilist kaotust, mis viib väiksema signaalkaotuseni kõrgsageduslike ahelates. Need on sobivad kõrgsageduslike rakenduste juhtumiteks, nagu 5G baasjaama RF moodulid ja raadiolokaatoriseadmed.

Keraamilise kiirplaatide valmistusprotsess erineb traditsiooniliste FR-4 printsiplaatide keemilise poorimise protsessist. Tuumaks on keraamiliste aluskihtide ja vasekihtide usaldusväärne ühendamine. Peamised protsessid jagunevad järgmisteks kategooriateks, millel igal ühel on oma tehnilised omadused ja rakendusalad:

Otsestega vaskkihi lamineerimisprotsess

· Tuumprintsiip: Vaskfool ja alumiiniumoksiid/alumiiniumnitriidi keraamiline alusplaat läbivad eutektilise keevi kõrgetemperatuuril. Vaske-oksü-keramiise eutektiline reaktsiooni metallilise sidumiskihi moodustamiseks, et saavutada tugev sidumine vask ja keraamika vahel.

· Protssid : Keraamilise aluse puhastamine → vasefooli lõikamine → Vasefooli ja keraamika laminatsioon → kõrgetemperatuuriline vaakum-eutektne sinterdamine → jahtumine → Ahu keemiline poorimine → lõpptootetüüp.

· Peamised omadused:

Kõrge kleepimistugevus, suurepärane soojusjuhtivus (ilma vahekihita)

Vaskkihi paksus on saadaval laias vahemikus (0,1 kuni 3 mm) ning toetab pakse vaseahuga ahude disaini.

On hea kõrgetemperatuuriline vastupidavus ja termiline löögikindlus, sobib kõrge võimsusega seadmetele.

Puudused: Kõrge sinterdamistemperatuur, range varustuse nõue, sobib ainult alumiiniumoksiid- ja alumiiniumnitraidkeraamikale, ei sobi räsinitraadiga.

Rakendusalad: IGBT-moodulialused, laadimispostide võimsusmoodulid, kõrge võimsusega LED-alused.

Aktiivse metalli lõõmutusprotsess

· Tuumprintsiip: Vasefuoli ja keraamilise aluse vahele lisatakse sulam, mis sisaldab aktiivseid metalle, nagu tiitaan ja tsirkoonium. Vakumis 800 kuni 950 °C juures toimub nende aktiivsete metallidega keemiline reaktsioon keraamilise pinnaga, mille tulemusena moodustuvad keemilised sidemed, samal ajal kui sulam sulab ja ühendab vasefuoli keraamikuga.

· Toimetamisjärjestus: Keraamilise aluse eeltöötlus → Sulami kandmine → vasefuoli ja keraamika kihitamine → vakuumkõrgõmestus → Ahu töötlemine → järeltöötlus.

· Peamised omadused:

See on kohandatav laialdaselt ja sobib kõikidele keraamilistele alustele, näiteks alumiiniumoksiidile, alumiiniumnitraadile, räsinitraadile jne.

Sinterdamise temperatuur on alum DBC-lt, mistõttu kahjustab see vähem keraamilist alust.

Kõrge sidumistugevus ja suurepärane vastupanu külma-kuuma tsüklitele (puudub riknenemine pärast ≥1000 tsüklit -40 kuni 150 °C juures).

Puudused: kõrgõmestussulami maksumus on kõrge ja protsess on keerukam kui DBC.

Rakendusscenaariumid: raketitehnoloogias kasutatavad rauanitraadi keraamilised plaatmoodulid, kõrge usaldusväärsusega vooluahela alusplaadid sõidukitesse.

Paksukileprotsess

· Tuumprintsiip: Metallipasta (hõbe, vaske, paalladium-hõbeda sulam) kantakse keraamilisele alusele sõeltrükkimise teel. Pärast kõrgtemperatuurilist sineterdamist tahkestub metallipasta, moodustades juhtivad ahelad, vältides vasefooliootmise vajadust.

· Toimetamisjärjestus: Keraamilise aluse puhastamine → metallipasta sõeltrükkimine → kuivatamine → kõrgtemperatuuriline sineterdamine → mitmekordne trükkimine/sineterdamine (ahela jämeduse suurendamiseks vajadusel) → isoleerkihi trükkimine (kui on vaja mitmeid kihte) vajalik) → valmistoodete kontroll.

· Peamised omadused:

Protsess on paindlik, võimaldab toota peenkihilisi ahelaid ning toetab mitmekihilist juhtmetehnoloogiat.

Selle suhteline maksumus on madal ja see sobib väikeste partiiide ning kohandatud tootmiseks.

Puudused: Ahela soojusjuhtivus on madalam kui vasest kaetud protsessi puhul, vasest pastat on kalduvus oksüdeeruma ja usaldusväärsus on veidi halvem.

Rakendusscenaariumid: Väikesed andurite ahelplaadid, kõrgsageduslikud keramilised plaatmeditsiiniseadmetele, odavate keramikaplaadid.

Madala temperatuuriga kooskütmise keramiline protsess

· Tuumprintsiip: Keramiline pulber segatakse orgaaniliste siduvainetega, et moodustada toored keramilised kiled. Tohet tehakse augud ja metallipasta (hõbe, vask) täidetakse toor-keraamilistele kiledele, et moodustada ahelad/läbiviad. Pärast mitme kihina toore keraamilise kile kihistamist kütmise käigus madalal temperatuuril ühe korraga mitmekihilised keramilised plaat.

· Toimetamisjärjestus: Toorporcellaanribade valmistamine → puurimine → täitmine metallipastaga → laminatsioon ja kihistamine → madala temperatuuriga kooskütmise protsess → pinnakatte metalliseerimine → lõppkontroll.

· Peamised omadused:

Võimaldab saavutada tiheda mitmekihilise juhtmega konstruktsiooni ja passiivkomponentide (takistid, kondensaatorid) integreerimist aluse sisse.

Kõrge dimensiooniline täpsus, soojalaienemisefaktor vastab pooljuhtplaadide omale;

Puudused: keeruline protsess, pikk tsükkel, kõrge hind ja piiratud joone paksus.

Rakendusscenaariumid: 5G baasjaamade RF-moodulid, miniatuursete keraamiliste printimisektahvlite kosmoseosakeseks, kõrgsageduslik sidevarustus.

Kõrgetemperatuuriline kooskütmise keraamika protsess

· Tuumprintsiip: Sarnane LTCC-le, kuid kasutatakse puhta keraamilist pulbrit, kütmetemperatuur on kuni 1500 kuni 1600 °C ja metallimulgina kasutatakse kõrget sulamistemperatuuriga metalle, nagu volfram ja molübdeen.

· Peamised omadused:

Keraamil on kõrge tihedus, selle mehaaniline tugevus ja kõrgetemperatuuriline vastupidavus on palju paremad kui LTCC-l.

Puudused: Kütmetemperatuur on äärmiselt kõrge, metallimulgil on halb elektrijuhtivus ja hind on kõrge.

Rakendussündmused: Äärmuslikud kõrgtemperatuurikeskkonnad, keraamilised printimisektahvlid tuumaindustri seadmetele.

Keramiik-PCB-d, millel on suurepärane soojusjuhtivus, kõrgekindlus ja isoleerivus, kasutatakse peamiselt kõrgklassides olukordades, kus on rangelt nõutav efektiivne soojuse hajutamine ja usaldusväärsus. Põhivaldkonnad ja konkreetsed rakendused on järgmised:

Uute energiaautovaldkonnas

· Põhikomponendid: Laadimisposti toite moodul, sõiduki invertor, mootori juhtplokk, aku halduse süsteemi kõrgepinge plaat, LED sõidukilambipirni juhtimise alusplaat.

· Kasutamise põhjused:

See suudab edasi viia suuri voolusid, kiiresti hajutada soojust, vastu pidada sõidukites esinevatele kõrge- ja madaltemperatuuride vaheldumisele, tagada võimsusseadmete stabiilne töö ning rahuldada alumiiniumnitriidi keramiliste printplaatide erakordselt kõrge soojusjuhtivuse nõudeid.

Pooljuhtide ja võimsusseadmete valdkond

· Põhikomponendid: IGBT mooduli alusplaat, MOSFET-i pakendialus, kõrgvõimsusega LED soojushajutusalus, laaserdioodi pakendialus, RF võimendi alusplaat.

· Kasutamise põhjused: Keraamiliste alustate soojuslaienemis-koefitsient vastab pooljuhtplaadide omale, vähendades nii soojuspinget tingitud rikkeid. Selle soojusjuhtivus on palju kõrgem kui FR-4 puhul, lahendades kõrgvõimsusega seadmete soojakadumise probleemi. Nende hulgas sobivad paksendikihiline protsessi keraamilised plokid suuremass tootmises kasutatavatele LED-dele.

Aerokosmose- ja sõjatööstuse valdkonnad

· Põhikomponendid: Õhusõidukite raadarite võimemoodul, satelliidi toitejaotusplaat, raketi mootori juhtplaat, misjoni juhtimissüsteemi printplaat, pilootita lennukite kõrgvõimsusega mootorijuhtplaat.

· Kasutamise põhjused:

Räniinitriidist (Si₃N₄) või HTCC-protsessiga valmistatud keraamilised printplaadid on vastupidavad äärmuslikele temperatuuridele, vibratsioonile ja löögile ning kiirgusele, mistõttu sobivad need rasketes tingimustes töötamiseks kosmoses ja sõjaväes. tegevusvaldkondades.

Meditsiiniseadmete valdkond

· Põhikomponendid: Kõrgsagedusliku elektrokirurgilise noa toitealust, tuuma-magnetresonantstomograafi (MRI) gradiendkuhfli plaat, laserteraapia seadme juhtplaat, kõrgepinge toiteallika moodul ventilaatorile.

· Kasutamise põhjused:

Kõrge isolatsioonitugevus (vältides lekkeohu), kõrge temperatuurikindlus, stabiilne signaaliedastus, vastavus meditsiiniseadmete ohutus- ja usaldusväärsusnõuetele, alumiiniumoksiidi keraamilise pliidi suur hind-eesmärgilaheldus keraamiline PCB on sobiv tavapäraste meditsiiniliste rakenduste jaoks.

Tööstusjuhtimise ja kõrgtasemelise seadmete valdkond

· Põhikomponendid: Kõrge sagedusega induktsioonkuumutusseadmete alusplaat, inversioonseadme võimsusüksus, tööstusroboti servojuhtplaad, kõrgetemperatuuriline andurisignaaliplaat, päikeseenergia pöördevoolumuunduri võimsusplaat.

· Kasutamise põhjused:

Vastupidav tööstuskeskkonna kõrgele temperatuurile, niiskusele ja vibratsioonile, DBC/AMB protsessi keraamiliste PCBde kõrge soojusjuhtivus tagab võimsate tööstusjuhtimisseadmete pikaajalise stabiilse töö.

5G side ja raadiosageduse valdkond

· Põhikomponendid: 5G baasjaama RF võimsusmoodul, millimeetria-laine radarialus, kõrge sagedusega plaat satelliidiseadmete sidevarustusele.

· Kasutamise põhjused:

LTCC protsessi keraamilised PCB-d võivad saavutada suure tihedusega integratsiooni ja passiivsete komponentide sisseehitamise, millel on madal dielektiikakadu, sobib kõrgsageduslike signaalide edastamiseks ning samal ajal vastab baasjaama võimsusseadmete soojusjuhtivuse nõuetele. hajutamisnõuded baasjaama võimsusseadmete jaoks.

Erilised äärmuslikud keskkonnatingimused

· Põhikomponendid: Tuumaettevõtluse seadmete kontrollplaat, sügavmeres uurimisroboti printimisiirde plaat, kõrgetemperatuuriline tööstusahju anduribaas.

· Kasutamise põhjused:

Keraamilised PCB-d on vastupidavad kiirgusele, korrosioonile ja kõrgetele temperatuuridele. Nende toime ei langi äärmuslikes keskkondades, nagu tuumakiirgus, sügavmeres kõrge rõhk ja kõrgetemperatuurilised ahjud. Berylliumoksiidist keraamilised PCB-d sobivad tuumaettevõtluse rakendustesse.