Keramisk pcb

Hva er en keramisk PCB?

Keramisk pcb er et stivt kretskort som bruker keramiske materialer som isolerende substrater, for eksempel aluminiumoksid Al₂O₃, aluminiumnitrid AlN, silisiumnitrid Si₃N₄, osv., og er belagt med kopperfolie for å danne ledende kretser. Den tilhører høyklassige spesial-PCB-er. Hovedegenskapen er at dens varmeledningsevne, isolasjon og motstand mot høye temperaturer langt overstiger de til tradisjonelle FR-4 PCB-er.

Som en high-end spesial PCB, er keramiske PCB-ers kjernefordeler konsentrert om nøkkeldimensjoner som varmeavledning, temperaturmotstand, isolasjon og stabilitet, som følger:

· Ultimate varmeavledningsytelse:

Varmeledningsevnen til keramiske substrater (spesielt aluminiumnitrid) kan nå 170–230 W/(m · K), noe som er mer enn 500 ganger høyere enn tradisjonelle FR-4 PCB-er (ca. 0,3 W/(m · K)). Den kan raskt lede bort varmen som genereres av høyeffektsenheter, effektivt redusere temperaturen i enhetene og unngå termisk svikt. Den er kompatibel med scenarier med høy varmestrømtetthet, som IGBT-moduler og høyeffekt-LED-er.

· Ekstremt høy varmemotstand:

Langsiktig driftstemperatur kan nå over 200 °C, og kortvarig temperatur kan tåle opptil 500 °C, hvilket er langt bedre enn FR-4 PCB (≤130 °C). Den kan tilpasse seg ekstreme temperaturmiljøer som i luftfart og romfart og industriell høytemperaturutstyr uten å forårsake deformasjon eller materialaldring av underlaget på grunn av høye temperaturer.

· Utmerket isolasjonsstyrke:

Bruddspenning ≥10 kV/mm, isolasjonseffekt langt bedre enn FR-4 PCB, kan fungere stabilt i høyspenningskretser, unngå lekkasjerisiko og brudd, og oppfylle kravene til isolasjonssikkerhet for ladeinnretninger og høy spenningsindustriell styreelektronikk.

· God termisk kompatibilitet:

Termisk ekspansjonskoeffisienten for keramiske substrater er nær den til halvlederchips, noe som kan redusere varmespenningen forårsaket av temperaturforandringer, og senke risikoen for sprekking og løsning ved forbindelsen mellom chip og underlag, og øker påliteligheten og levetiden til enhetspakkinger.

· Kjemisk og miljømessig stabilitet:

Motstandsdyktig mot syrer og baser, stråling og korrosjon. Dets ytelse avtar ikke i harde miljøer som fuktighet, sterke elektromagnetiske felt og stråling. Den er egnet for spesielle scenarier som luft- og romfart, marin utforskning og utstyr for kjernekraftindustrien.

· Høy mekanisk styrke:

Keramiske substrater har høy hardhet og god slagfasthet. Spesielt silisiumnitrid-keramiske kretskort kan tåle mekaniske spenninger som vibrasjoner og kollisjoner, noe som gjør dem egnet for arbeidsforhold med hyppige vibrasjoner i kjøretøy og skinneruter.

· Lav dielektrisk tap:

Keramiske materialer har en stabil dielektrisk konstant og lav dielektrisk tap, noe som resulterer i liten signaloverføringstap i høyfrekvente kretser. De er egnet for høyfrekvente anvendelser som 5G-basesstasjon RF moduler og radarutstyr.

Fremstillingsprosessen for keramiske kretskort skiller seg fra etsingsprosessen for tradisjonelle FR-4-kretskort. Fokuset er på en pålitelig kombinasjon av keramiske substrater og kobberlag. Hovedprosessene kan deles inn i følgende kategorier, hver med egne tekniske egenskaper og anvendelsesområder:

Direkte kobberkledning-lamineringsprosess

· Kjerneprinsipp: Kobberfolie og aluminiumoksid/aluminiumnitrid-keramisk substrat blir utsatt for eutektisk sveisning ved høye temperaturer. Kobber-oksigen-keramisk eutektisk reaksjonen utnyttes for å danne et metallurgisk bindelag, og oppnå en fast forbindelse mellom kobber og keramikk.

· Prosesssteg : Rengjøring av keramisk substrat → skjæring av kobberfolie → laminering av kobberfolie og keramikk → høytemperatur vakuum-eutektisk sintering → avkjøling → etsing av krets → inspeksjon av ferdig produkt.

· Nøkkelfunksjoner:

Høy bindingsstyrke, utmerket varmeledningsevne (ingen mellomliggende bindingslag);

Tykkelsen på kobberlaget har et bredt valg (0,1 til 3 mm), og støtter design med tykke kobberkretser.

Den har god motstand mot høye temperaturer og termisk sjokk, og er egnet for høyeffektutstyr.

Ulemper: Høy sinteringstemperatur, strenge krav til utstyr, bare egnet for aluminiumsoksid og aluminiumnitrid-keramikk, ikke kompatibelt med silisiumnitrid.

Bruksområder: Underlag for IGBT-moduler, effektmoduler for ladeenheter, underlag for høyeffekt-LED-er.

Aktivmetall-loddingsprosess

· Kjerneprinsipp: Mellom kobbertynplaten og keramiske underlag legges det til loddelegering som inneholder aktive metaller som titan og zirkonium. Under vakuum ved 800 til 950 °C reagerer de aktive metallene kjemisk med keramikkens overflate og danner kjemiske bindinger, mens loddelegert smelter og binder sammen kobbertynplaten og keramikken.

· Prosesssteg: Forbehandling av keramisk substrat → Påføring av loddelegering → Laminering av kobberfolie og keramikk → Vakuumloddeteknikk → Kretsfremstilling → Etterbehandling.

· Nøkkelfunksjoner:

Den har bred tilpasningsevne og kan brukes på alle typer keramiske substrater som aluminiumoksid, aluminiumnitrid, silisiumnitrid osv.

Sinteringstemperaturen er lavere enn DBC, noe som forårsaker mindre skade på det keramiske substratet.

Høy bindningsstyrke og utmerket motstand mot varme- og kalde-sykluser (ingen feil etter ≥1000 sykluser ved -40 til 150 °C).

Ulemper: Kostnaden for loddematerialet er høy, og prosessen er mer kompleks enn DBC.

Bruksscenarier: Silisiumnitrid keramiske kretskort for romfart, høytilgjengelige strømsubstrater for kjøretøy.

Tynnfilmprosess

· Kjerneprinsipp: Metallpasta (sølv, kobber, palladium-sølv legering) påføres overflaten av det keramiske substratet via silketrykk. Etter høytemperatursintering fastner metallpasten og danner ledende kretser, hvilket eliminerer behovet for kobberfoliepåføring.

· Prosesssteg: Rens av keramisk underlag → Silketrykk av metallpasta → tørking → høytemperatursintering → flere trykk/sinteringstrinn (tykkelse av kretsen etter behov) → Utskrift av isolasjonslag (hvis flere lag er nødvendig) → inspeksjon av ferdig produkt.

· Nøkkelfunksjoner:

Prosessen er fleksibel, i stand til å produsere fine kretser og støtte flerlags koblinger.

Den har relativt lave kostnader og egner seg for småserier og skreddersydd produksjon.

Ulemper: Varmeledningsevnen i kretsen er lavere enn ved kupert kobberprosess, kobberpasta er utsatt for oksidasjon, og påliteligheten er noe dårligere.

Bruksområder: Kretskort for små sensorer, høyfrekvente keramiske pcb-plater til medisinsk utstyr, lavkvalitets keramiske underlag.

Lavtemperatur-ko-firing av keramikkprosess

· Kjerneprinsipp: Keramisk pulver blandes med organiske bindemidler for å danne rå keramiske filmer. Hull stanses og metallpasta (sølv, kobber) fylles på de rå keramiske filmene for å danne kretser/vias. Etter at flere lag med rå keramiske filmer er stablet, sinteres de sammen ved lave temperaturer for å danne flerlags keramiske kretskort i én operasjon.

· Prosesssteg: Forberedelse av rå porselensstrimler → Boring → Fylling med metallpasta → laminering og stabling → lavtemperatursintering → overflate-metallisering → sluttkontroll av produkt.

· Nøkkelfunksjoner:

Den kan oppnå høytetthets flerlags kobling og integrere passive komponenter (motstander, kondensatorer) inne i underlaget.

Høy dimensjonal nøyaktighet, med en varmeutvidelseskoeffisient som samsvarer med den til halvlederchips;

Ulemper: Kompleks prosess, lang syklustid, høy kostnad og begrenset linjetykkelse.

Bruksscenarier: 5G-basestasjons RF-moduler, miniatyriserte keramiske kretskort til luft- og romfart, høyfrekvent kommunikasjonsutstyr.

Høytemperatursinteringskeramikkprosess

· Kjerneprinsipp: Likt LTCC, men bruker ren keramisk pulver, sintertemperaturen er så høy som 1500 til 1600 ℃, og metallpastaen bruker høytsmeltepunktmetaller som wolfram og molybden.

· Nøkkelfunksjoner:

Keramikk har høy tetthet, og dens mekaniske styrke og motstand mot høye temperaturer overstiger langt de for LTCC.

Ulemper: Sintertemperaturen er ekstremt høy, ledningsevnen i metallpastaen er dårlig, og kostnaden er høy.

Gjeldende scenarier: Ekstreme høytemperaturmiljøer, keramiske PCBS for utstyr i kjernekraftindustrien.

Keramiske PCBS, med sin fremragende varmeledningsevne, motstand mot høye temperaturer og isolasjon, brukes hovedsakelig i high-end-scenarier med strenge krav til varmeavgivelse og pålitelighet. Kjernefeltene og spesifikke anvendelser er som følger:

Innenfor ny energi kjøretøy

· Kjernekomponenter: Ladestasjons effektmodul, bilbåren inverter, motorstyring, høyspenningskort i batteristyringssystem, LED-billys driverplate

· Anvendelsesgrunner:

Den kan lede store strømmer, raskt avgi varme, tåle alternerende høye og lave temperaturmiljøer i kjøretøy, sikre stabil drift av effektkomponenter og oppfylle de ekstremt høye kravene til varmeledningsevne for aluminiumnitrid-keramiske PCBS. ledningsevne krav for aluminiumnitrid-keramiske PCBS.

Halvleder- og effektenhetsfeltet

· Kjernekomponenter: IGBT-modulunderlag, MOSFET-pakkeunderlag, høyeffekt LED-varmeavledningsunderlag, laserdiode-pakkeunderlag, RF-effektforsterker-underlag.

· Anvendelsesgrunner: Varmeutvidelseskoeffisienten til keramiske underlag samsvarer med den til halvlederchips, noe som reduserer feil på grunn av termisk spenning. Denne varmeledningsevnen overstiger langt den til FR-4, og løser dermed varmeavledningsproblemet for høyeffektenheter. Tykkfilmsprosessens keramiske PCB-er er egnet for massproduksjonskrav for LED-er.

Luftfart, romfart og forsvar

· Kjernekomponenter: Bærbart radar-effektmodul, satellitt strømforskningskort, rakettmotorstyringskort, missilguideringssystem-kretskort, fjernstyrt drone høyeffekt motorstyringskort.

· Anvendelsesgrunner:

Silisiumnitrid (Si₃N₄) eller HTCC-prosessens keramiske PCB-er tåler ekstreme temperaturer, vibrasjoner og sjokk, samt stråling, og er dermed egnet for harde driftsbetingelser i luft- og romfart og militær bruk industrier.

Medisinsk utstyr

· Kjernekomponenter: Høyfrekvent elektrokirurgisk kniv effektsubstrat, kjerne-magnetisk resonans (MRI) gradientforsterkerkort, laserbehandlingsutstyr kontrollkort, høyspenningsstrømforsyningsmodul for ventilator.

· Anvendelsesgrunner:

Høy isolasjonsstyrke (unngår lekkasjerisiko), høy temperaturmotstand, stabil signaloverføring, oppfyller sikkerhets- og pålitelighetsstandarder for medisinsk utstyr, kostnads-ytelsesforholdet til aluminiumoksid keramisk PCB er egnet for konvensjonelle medisinske scenarier.

Området for industriell styring og høyteknologisk utstyr

· Kjernekomponenter: Høyfrekvent induksjonsvarmeanlegg substrat, frekvensomformers effektenhet, industrirobot servo-driverkort, høytemperatursensor signalkort, solcelleinverter effektkort.

· Anvendelsesgrunner:

Motstandsdyktig mot høye temperaturer, fuktighet og vibrasjoner i industrielle miljøer, den høye varmeledningsevnen til DBC/AMB-prosessens keramiske PCBS sikrer langsiktig stabil drift av høyeffekt industriell kontrollutstyr.

Området for 5G-kommunikasjon og radiofrekvens

· Kjernekomponenter: 5G basestasjon RF-effektmodul, millimeterbølgeradar undertrekk, høyfrekvent plate for satellittkommunikasjonsutstyr.

· Anvendelsesgrunner:

LTCC-prosess keramiske PCBS kan oppnå høy tetthet integrasjon og innekapsling av passive komponenter, med lav dielektrisk tap, egnet for høyfrekvent signaloverføring, og samtidig oppfylle kravene til varme avledning for basestasjons effektutstyr.

Spesielle ekstreme miljøfelt

· Kjernekomponenter: Kontrollbrett for kjernekraftindustriutstyr, kretskort for dypvannsforskningsrobot, sensorundertrekk for høytemperatur industriovn.

· Anvendelsesgrunner:

Keramiske PCBS er resistente mot stråling, korrosjon og høye temperaturer. Deres ytelse avtar ikke i ekstreme miljøer som kjernefysisk stråling, dypvannshøyt trykk og høytemperatur ovner. Berylliumoksid keramiske PCBS er egnet for kjernekraftindustri-scenarier.