Keramična PCB

Keramična PCB je trdo tiskano vezje, ki kot izolacijske podlage uporablja keramične materiale, kot so aluminijev oksid Al₂O₃, aluminijev nitrid AlN, silicijev nitrid Si₃N₄ itd., in je prekrito s folijo iz bakra za oblikovanje prevodnih tokokrogov. Spada med specializirana visoko zmogljiva tiskana vezja (PCB). Glavna značilnost je, da njegova toplotna prevodnost, izolacija in odpornost proti visoki temperaturi znatno presegata lastnosti tradicionalnih FR-4 PCB-jev.

Kot visoko razredna posebna tiskana vezja imajo keramična tiskana vezja svoje ključne prednosti usmerjene v dimenzije, kot so odvajanje toplote, odpornost proti temperaturi, izolacija in stabilnost, kot sledi:

· Najvišji učin prestavljanja toplote:

Toplotna prevodnost keramičnih podlag (zlasti aluminijev nitrid) doseže 170–230 W/(m · K), kar je več kot 500-krat višje kot pri tradicionalnih FR-4 tiskanih vezjih (približno 0,3 W/(m · K)). Hitro prenaša toploto, ki jo proizvedejo visoko zmogljivi elementi, učinkovito zmanjšuje dvig temperature elementov in preprečuje termične okvare. Primerno za scenarije z visoko gostoto toplotnega toka, kot so moduli IGBT in visoko močni LED-i.

· Izjemno visoka odpornost proti toploti:

Dolgoročno delovno temperaturo lahko doseže več kot 200 °C, kratkoročno pa zdrži tudi do 500 °C, kar je znatno boljše kot pri FR-4 tiskanih vezjih (≤130 °C). Lahko se prilagodi ekstremnim temperaturnim okoljem, kot so vesoljski programi in industrijska oprema za visoke temperature, ki ne povzroča deformacije ali staranja podlage zaradi visokih temperatur.

· Odlična izolacijska trdnost:

Prebojni napetost ≥10 kV/mm, izolacijske lastnosti presegajo tiste pri FR-4 tiskanih vezjih, zato lahko deluje stabilno v visokonapetostnih tokokrogih, izogiba se tveganjem uhajanja in prebojev ter ustreza zahtevam za izolacijsko varnost pri polnilnih postajah in visokonapetostni industrijski nadzorni opremi. napetostni industrijski nadzorni opremi.

· Dobra toplotna združljivost:

Koeficient toplotnega raztezanja keramičnih podlag je blizu tistemu polprevodniških čipov (npr. silicijevih čipov), kar zmanjša toplotni napetosti, povzročene zaradi sprememb temperature, zmanjša tveganje razpok in odluščevanja na povezavi med čipom in podlago ter izboljša zanesljivost in življenjsko dobo pakiranja naprav. med čipom in podlago ter izboljša zanesljivost in življenjsko dobo pakiranja naprav.

· Kemična in okoljska stabilnost:

Odporen proti kislinam in alkalijem, sevanju ter koroziji. Njegove lastnosti se ne poslabšajo v ekstremnih okoljih, kot so vlažnost, močna elektromagnetna polja in sevanje. Primeren za posebne scenarije, kot so letalstvo, vesoljski program, morske raziskave in oprema za jedrsko industrijo.

· Visoka mehanska trdnost:

Keramični podlagi imata visoko trdoto in močno odpornost proti udarom. Še posebej keramična tiskana vezja iz silicijevega nitrida lahko prenesejo mehanske napetosti, kot so vibracije in trki, zaradi česar sta primerna za pogojih stalnega tresenja v vozilih in železniškem prometu.

· Nizke dielektrične izgube:

Keramični materiali imajo stabilno dielektrično konstanto in nizke dielektrične izgube, kar povzroči majhne izgube pri prenosu signala v visokofrekvenčnih vezjih. Primerne so za visokofrekvenčne aplikacije, kot so RF moduli 5G baznih postaj in radarne naprave.

Proizvodni proces keramične tiskane plošče se razlikuje od postopka graviranja tradicionalnih FR-4 tiskanih vezij. Jedro procesa je zanesljiva kombinacija keramičnega podlage in bakrenih plasti. Glavni postopki se lahko razdelijo v naslednje kategorije, pri čemer ima vsaka svoje tehnične značilnosti in primere uporabe:

Neposredni postopek laminiranja s prevleko iz bakra

· Osnovni princip: Bakrena folija in aluminijev oksid/aluminijev nitrid kot keramična podlaga se pri visokih temperaturah (1065~1083 ℃, blizu točke taljenja bakra) zvari v eutektično spojino. S pomočjo eutektične reakcije med bakerjem, kisikom in keramiko se ustvari metalurški vezni sloj, ki zagotavlja trdno povezavo med bakerjem in keramiko.

· Koraki procesa : Čiščenje keramičnega podlage → rezanje bakrenih folij → laminiranje bakra in keramike → vakuumsko evtaktično spajkanje pri visoki temperaturi → hlajenje → graviranje vezij → pregled končnega izdelka.

· Ključne značilnosti:

Visoka trdnost zlepa (trdnost na strižno obremenitev ≥20 MPa), odlična toplotna prevodnost (brez prehodnega zlepnega sloja);

Debelina bakrenega sloja ponuja širok izbor (od 0,1 do 3 mm) in omogoča načrtovanje debelejših bakrenih vezij.

Izjemno odporen na visoke temperature in termične šoke, primerni za naprave z visoko močjo.

Slabosti: Visoka temperatura spajkanja, stroge zahteve za opremo, primerno le za aluminijev oksid in aluminijev nitrid, ni združljivo s silicijevim nitridom.

Področja uporabe: Podlage za IGBT module, močnostni moduli za polnilne postaje, podlage za visokomočne LED.

Postopek braziljenja z aktivnimi kovinami

· Osnovni princip: Med bakrenim folijem in keramičnim podlagom se doda lot, ki vsebuje aktivne kovine, kot sta titan in cirkonij. V vakuumskem okolju pri temperaturi od 800 do 950 ℃ aktivne kovine reagirajo s površino keramike in tvorijo kemične vezi, medtem ko se lot stopi in spoji bakreni folij z keramiko. reakcija z aktivnimi kovinami na površini keramike ustvari kemične vezi, medtem ko se lot stopi in spoji bakreni folij z keramiko.

· Koraki postopka: Predobdelava keramičnega podlage → Nanos lota → laminacija bakrenega folija in keramike → vakuumska lemilna postopek → obdelava vezij → končna obdelava.

· Ključne značilnosti:

Izjemno prilagodljiv postopek, uporaben za vse vrste keramičnih podlag, kot so aluminijev oksid, aluminijev nitrid, silicijev nitrid itd.

Temperatura sinteriranja je nižja kot pri DBC, zato povzroči manjšo poškodbo keramičnega podlage.

Visoka trdnost spoja in odlična odpornost na temperaturna nihanja (brez okvar po ≥1000 ciklusih pri -40 do 150 ℃).

Slabosti: Visoki stroški lemilnega materiala in večja zapletenost postopka v primerjavi z DBC.

Uporabni primeri: Silicijev nitrid keramični tiskani vezovi za letalstvo in visoko zanesljive močnostne podlage za vozila.

Debeloslojni postopek

· Osnovni princip: Kovinski pasti (srebro, baker, paladij-srebrna zlitina) se nanašajo na površino keramične podlage s tiskanjem skozi sita. Po visokotemperaturnem sintranju se kovinska pasta strdi in tvori prevodne tokokroge, kar odpravlja potrebo po prevlečenju s folijo iz bakra.

· Koraki postopka: Čiščenje keramične podlage → tiskanje kovinske paste skozi sito → sušenje → visokotemperaturno sintranje → večkratno tiskanje/sintranje (debeljenje tokokroga po potrebi) → tiskanje izolacijske plasti (če je potrebno več plasti) potrebno) → pregled končnega izdelka.

· Ključne značilnosti:

Postopek je fleksibilen, omogoča izdelavo drobnih tokokrogov in podpira večplastno ožičenje.

Ima relativno nizke stroške in je primeren za manjše serije ter prilagojeno proizvodnjo.

Slabosti: Toplotna prevodnost vezja je nižja kot pri baker-pokritem postopku, bakreni kit je nagnjen k oksidaciji in zanesljivost je nekoliko slabša.

Uporabni primeri: Plošče vezij za majhne senzorje, visokofrekvenčne keramične plošče PCB za medicinsko opremo, poceni keramične podlage.

Postopek nizkotemperaturnega sožganja keramike

· Osnovni princip: Keramični prah se meša z organskimi vezivi, da nastanejo surove keramične folije. V surove keramične folije se izbušijo luknje in v njih se napolni kovinski kit (srebro, baker), da se oblikujejo tokokrogi/vodi. Po nanosu več plasti surove keramike folij se te skupaj naložijo in sožgejo pri nizki temperaturi, kar v enem koraku ustvari večplastne keramične tiskane plošče.

· Koraki postopka: Priprava surovih porcelanskih trakov → Bušenje → Polnjenje s kovinskim kitom → laminiranje in nakladanje → nizkotemperaturno sožganje → površinska metalizacija → pregled končnega izdelka.

· Ključne značilnosti:

Omogoča visoko gostoto večplastnega napeljavanja ter vgradnjo pasivnih komponent (uporniki, kondenzatorji) neposredno v podlago.

Visoka dimensionalna natančnost, koeficient toplotnega raztezanja pa ustreza polprevodniškim čipom;

Slabosti: Zapleten proces, dolg cikel, visoka cena in omejena debelina linij.

Uporabni primeri: RF moduli za 5G postaje, miniaturizirane keramične tiskane plošče za letalstvo in vesoljski promet, oprema za visokofrekvenčno komunikacijo.

Postopek visokotemperaturnega sožganja keramike

· Osnovni princip: Podobno kot pri LTCC, vendar z uporabo čiste keramične prašne surovine; temperatura spajkanja je zelo visoka, med 1500 do 1600 °C, kovinska pasta pa vsebuje kovine z visoko točko taljenja, kot sta volfram in molibden.

· Ključne značilnosti:

Keramika ima visoko gostoto, mehansko trdnost in odpornost na visoke temperature pa presegata LTCC.

Slabosti: Temperatura sinteriranja je izjemno visoka, prevodnost kovinske paste slaba, stroški pa so visoki.

Uprimerno scenariji: Ekstremne visokotemperaturne okolice, keramične tiskane plošče za opremo jedrske industrije.

Keramične tiskane vezje, ki se izkazujejo po odlični toplotni prevodnosti, odpornosti na visoke temperature in izolaciji, se uporabljajo predvsem v visokonivojskih scenarijih z strogi zahtevami za odvajanje toplote in zanesljivost. Glavna področja in posebne uporabe so naslednja:

Na področju novih energetskih vozil

· Osnovne komponente: Modul moči polnilne postaje, krmilnik obratnika na vozilu, krmilnik motorja, visokonapetostna plošča sistema za upravljanje baterij, podlaga gonilnika LED luči na vozilu.

· Razlogi za uporabo:

Lahko prenaša velike tokove, hitro odvaja toploto, zdrži izmenično visoko in nizko temperaturo v vozilih, zagotavlja stabilno delovanje naprav za napajanje ter ustreza zahtevam za izjemno visoko toplotno vodljivost aluminij-nitridnih keramičnih tiskanih vezij.

Področje polprevodnikov in močnostnih naprav

· Osnovne komponente: Nosilec IGBT modula, nosilec MOSFET ohišja, nosilec za odvajanje toplote pri visokomočnih LED, nosilec laserske diode, nosilec RF močnostnega ojačevalnika.

· Razlogi za uporabo: Koeficient toplotnega raztezanja keramičnih podlag je prilagojen koeficientu polprevodniških čipov, kar zmanjšuje toplotne napetosti in odpovedi. Njihova toplotna prevodnost daleč presega FR-4, s čimer rešuje problem odvajanja toplote pri visokomočnih napravah. Med njimi so debeloplastne keramične tiskane plošče primerne za zahteve množične proizvodnje LED.

Področja letalske in vesoljske ter vojaške industrije

· Osnovne komponente: Modul za napajanje zračnega radarskega sistema, plošča za razdelitev napajanja v satelitu, nadzorna plošča raketnega motorja, tiskana vezna plošča sistem za vodenje izstrelkov, plošča pogona visokonapetostnega motorja brezpilotnega letala.

· Razlogi za uporabo:

Keramične tiskane vezne plošče iz silicijevega nitrida (Si₃N₄) ali s postopkom HTCC so odporne proti ekstremnim temperaturam, vibracijam, udarom in sevanju, zaradi česar so primerne za zahtevne delovne pogoje v letalstvu, vesoljskem programu in vojaških aplikacijah. industrijah.

Področje medicinske opreme

· Osnovne komponente: Nosilec moči za visokofrekvenčni elektrokirurški nož, plošča gradientnega ojačevalnika za jedrsko magnetno resonanco (MRI), nadzorna plošča za lasersko terapevtsko opremo, modul visokonapetostnega napajanja za ventilator.

· Razlogi za uporabo:

Visoka izolacijska trdnost (izogibanje tveganju uhajanja toka), odpornost proti visoki temperaturi, stabilen prenos signalov, izpolnjevanje standardov varnosti in zanesljivosti medicinske opreme, dobra razmerje med zmogljivostjo in stroški aluminijeve keramike keramična tiskana vezna plošča je primerna za običajne medicinske scenarije.

Področje industrijskega nadzora in visoko zmogljive opreme

· Osnovne komponente: Podlaga za opremo za visokofrekvenčno indukcijsko segrevanje, enota moči frekvenčnega pretvornika, krmilna plošča servopogona industrijskega robota, signalna plošča visokotemperaturnega senzorja, močnostna plošča fotonapetnega invertorja.

· Razlogi za uporabo:

Odporen na visoke temperature, vlažnost in vibracije v industrijskem okolju, visoka toplotna prevodnost keramičnih tiskanih vezij DBC/AMB procesa zagotavlja dolgoročno stabilno delovanje visokomočnih industrijska krmilna oprema.

Področje 5G komunikacij in radijskih frekvenc

· Osnovne komponente: rF modul moči 5G bazne postaje, podlaga za milimetrski valovni radar, visokofrekvenčna plošča za opremo za satelitsko komunikacijo.

· Razlogi za uporabo:

LTCC proces keramičnih tiskanih vezij omogoča visoko gostoto integracije in vdelavo pasivnih komponent, z nizkimi dielektričnimi izgubami, primernimi za prenos visokofrekvenčnih signalov, hkrati pa izpolnjuje zahteve po odvajanju toplote naprav moči bazne postaje.

Posebna področja ekstremnega okolja

· Osnovne komponente: Krmilna plošča opreme za jedrsko industrijo, tiskano vezje globokomorske raziskovalne sonde, podlaga visokotemperaturnega senzorja za industrijsko peč.

· Razlogi za uporabo:

Keramične tiskane plošče so odporne proti sevanju, koroziji in visokim temperaturam. Njihova zmogljivost se v ekstremnih okoljih, kot so jedrsko sevanje, visok pritisk v globokih morjih in visoke temperature, ne zmanjša plošče iz keramike z oksidom berilija so primerne za uporabo v jedrski industriji.