PCB me keramik

Çfarë është një PCB keramike?

PCB me keramik është një bord rrethi i shtypur i fortë që përdor materiale keramike si nënstrata izoluese, si oksid alumini Al₂O₃, nitrid alumini AlN, nitrid silikoni Si₃N₄, etj., dhe mbulohet me flet bakri për të formuar qarqe conductive qarqe. I përket PCB-së speciale të nivelit të lartë. Karakteristika kryesore është se përçueshmëria termike, izolimi dhe rezistenca ndaj temperaturave të larta tejkalon shumë ato të PCB-ve tradicionale FR-4.

Si një PCB speciale e kategorisë së lartë, avantazhet kryesore të PCB-së me bazë keramike përqendrohen në dimensione kyçe si shpërndarja e nxehtësisë, rezistenca ndaj temperaturës, izolimi dhe stabiliteti, si më poshtë:

· Performancë e fundit në shpërndarjen e nxehtësisë:

Dukshmëria termike e nënstratave keramike (veçanërisht nitrurit të aluminimumit) mund të arrijë 170-230 W/(m · K), që është më shumë se 500 herë ajo e PCB-të tradicionale FR-4 (rreth 0,3 W/(m · K)). Ajo mund të bartë shpejt nxehtësinë e prodhuar nga pajisjet me fuqi të lartë, zvogëlon ngjitjen e temperaturës së pajisjeve dhe shmang dështimet termike. Është e përputhshme me skenare me dendësi të lartë termike si modulët IGBT dhe LED-të me fuqi të lartë.

· Rezistencë termike jashtëzakonisht e lartë:

Temperatura e funksionimit afatgjatë mund të arrijë mbi 200℃, kurse temperatura afatshkurtër mund të durojë deri në 500℃, gjë që është shumë më e mirë sesa PCB-ja FR-4 (≤130℃). Ajo mund të përshtatet me mjediset ekstreme të temperaturës si aero-hapësira dhe ekuipman industriale me temperaturë të lartë pa shkaktuar deformim ose përtëritje të bazës së materialit për shkak të temperaturave të larta.

· Fortësi e shkëlqyeshme izoluese:

Tensioni i thyerjes ≥10kV/mm, performanca izoluese që tejkalon shumë atë të PCB-së FR-4, mund të funksionojë në mënyrë të qëndrueshme në qarkun me tension të lartë, shmang rreziqet e rrjedhjes dhe thyerjes dhe plotëson kërkesat e sigurisë izoluese për kolona ngarkimi dhe pajisje industriale me tension të lartë.

· Përputhshmëri termike e mirë:

Koeficienti i zgjerimit termik të bazave keramike është i afërt me atë të çipave të pajisjeve gjysmëpërçuese, gjë që mund të zvogëlojë tensionin termik të shkaktuar nga ndryshimet e temperatës, si dhe të ulë rrezikun e formimit të çarjeve dhe shkëputjes në dhe lidhjen midis çipit dhe bazës, dhe të rrisë besueshmërinë dhe jetëgjatësinë e pajisjes.

· Qëndrueshmëri kimike dhe mjedisore:

I rezistent ndaj acidëve dhe alkalive, rrezatimit dhe korrozionit. Performanca e tij nuk zvogëlohet në mjedise të ashpra si lagështia, fusha elektromagnetike të forta dhe rrezatimi. Përshtatet për skenare speciale si aero-hapësirë, Detari zbulim dhe pajisje industrinë bërthamore.

· Fortësi mekanike e lartë:

Nënshtrirjet keramike kanë dendësi të lartë dhe rezistencë të fortë ndaj goditjeve. Veçanërisht tabela rreze e nitridit të silicit, ato mund të përballojnë tensione mekanike si dridhje dhe goditje, gjë që i bën të përshtatshme për kushte punësimi që dridhen shpesh në mjete dhe transport hekurudhor.

· Humbje dielektrike të ulëta:

Materialet keramike kanë një konstante dielektrike të qëndrueshme dhe humbje dielektrike të ulëta, gjë që rezulton në humbje të vogla të transmetimit të sinjalit në qarqet me frekuencë të lartë. Janë të përshtatshme për skenare aplikimesh me frekuencë të lartë si modul RF stacion bazë 5G dhe pajisje radar.

Procesi i prodhimit të pllakës së qarkut prej keramike ndryshon nga procesi i etxhing-ut të PCB-të tradicionale FR-4. Bërthama përqendrohet në kombinimin e besueshëm të bazave keramike dhe shtresave të bakrit. Proceset kryesore mund të klasifikohen në kategoritë e mëposhtme, ku secila ka karakteristikat teknike dhe skenarët e saj të aplikimit:

Procesi i laminimit direkt me pllakë bakri

· Parimi kryesor: Foli e bakrit dhe baza e oksidit të aluminës/nitritit të aluminës keramike janë nënshtruar në një lidhje eutektike në temperatura të larta. Eutektikja bakër-oksik-keramike për të formuar një shtresë lidhëse metalurgjike, duke arritur një lidhje të fortë midis bakrit dhe keramikës.

· Hapat e procesit : Përpunimi i nënstratit keramik → prerja e fletës së bakrit → Laminimi i fletës së bakrit me keramikën → sinterizim vakum i eutektik në temperaturë të lartë → ftohje → Etshingu i qarkut → kontrolli i produktit përfundimtar.

· Karakteristikat kryesore:

Fortësi e lartë e lidhjes, përçueshmëri termike e shkëlqyeshme (pa shtresë të mesme të lidhjes);

Trashësia e shtresës së bakrit ka një gamë të gjerë opsionesh (0,1 deri në 3 mm) dhe mbështet dizajnimin e qarqeve me bak të trashë.

Ka rezistencë të mirë ndaj temperaturave të larta dhe rezistencë të mirë ndaj goditjeve termike, i përshtatshëm për pajisje me fuqi të lartë.

Të meta: Temperaturë e lartë sinterizimi, kërkesa të rrepta për pajisje, i përshtatshëm vetëm për keramika oksidi alumini dhe nitrid alumini, jo i përputhshëm me nitrid silici.

Skenarët e aplikimit: Nënstratet e modulit IGBT, module fuqie për kolona ngarkimi, nënstratet LED me fuqi të lartë.

Procesi i brazimit aktiv me metale

· Parimi kryesor: Midis folies së bakrit dhe nënstratit keramik, shtohet një legurë që përmban metale aktive si titan dhe zirkon. Nën një mjedis vakuumi prej 800 deri në 950℃, metalete aktive kryejnë një reaksion kimik me sipërfaqen e keramikut për të formuar lidhje kimike, ndërkohë që legura shkrihet për t’u lidhur me folien e bakrit dhe keramikën.

· Hapat e procesit: Përpunimi parësor i nënstratit keramik → Përfshirja e legurës → Laminimi i folies së bakrit dhe keramikës → Brazimin në vakuum → Përpunimi i qarkut → Përpunimi pasues.

· Karakteristikat kryesore:

Ka përshtatshmëri të gjerë dhe mund të përdoret në të gjitha nënstratet keramike si oksid alumini, nitrid alumini, nitrid silici etj.

Temperatura e sinterimit është më e ulët se DBC, çka shkakton dëmtim më të vogël të nënstratit keramik.

Fortësi e lartë e lidhjes dhe rezistencë e shkëlqyeshme ndaj cikleve të ftohtë dhe të nxehtë (pa dështim pas ≥1000 ciklesh në -40 deri në 150℃).

Të meta: Kostoja e legurës së brazimit është e lartë, dhe kompleksiteti i procesit është më i lartë se DBC.

Skena e aplikueshme: PCB-si keramike me nitrid silici për ajronautikë, nënstratumet me fuqi me besueshmëri të lartë për mjete.

Procesi i shtresës së trashë

· Parimi kryesor: Pasta metalike (argjend, bakër, legura paladi-argjend) përfshihet në sipërfaqen e nënstratit keramik përmes shtypjes me ekran. Pas sintrimit me temperaturë të lartë, pasta metalike ngurtësohet duke formuar qarqe konduktive, duke eliminuar nevojën e mbulimit me flet bakri.

· Hapat e procesit: Pastrimi i nënstratit keramik → Shtypja me ekran e pastës metalike → tharja → sintrim me temperaturë të lartë → shtypje/sintrim i shumëfishtë (për trashësimin e qarkut sipas nevojës) → Shtypja e shtresës së izolimit (nëse kërkohet shumështresësi) i nevojshëm) → kontrolli i produktit përfundimtar.

· Karakteristikat kryesore:

Procesi është i fleksibël, i aftë për prodhimin e qarqeve të hollë dhe mbështet rrymën shumështresëshe.

Ka një kosto relativisht të ulët dhe është i përshtatshëm për prodhimin me sasi të vogla dhe të personalizuar.

Të metat: Përcjellshmëria termike e qarkut është më e ulët në krahasim me procesin me bakër të mbuluar, pasta e bakrit është e prirur për oksidim, dhe besnikëria është pak më e dobët.

Skena e aplikimit: Karta të vogla të qarqeve për sensorë, karta pcb prej keramike me frekuencë të lartë për pajisje mjekësore, nënstratet keramike të kategorisë së ulët.

Procesi i djegies me temperaturë të ulët

· Parimi kryesor: Pluhuri keramik përzihet me lidhës organikë për të formuar lëshet e para keramike. Bëhen vrima dhe ngopin me llëng metalik (argjend, bakër) në lëshet e para keramike për të formuar qarqe/vija. Pasi që shumë shtresa lëshesh të para keramike ngjiten, ato djehen së bashku në temperaturë të ulët për të formuar njëherësh karta PCB multi-shtresësh keramike.

· Hapat e procesit: Përgatitja e shiritave të parafshkruar të porcelanit → Gdhendja → Mbushja me llëng metalik → ngjitja dhe grupimi → djegia e bashkë ngjitur me temperaturë të ulët → metalizimi i sipërfaqes → kontrolli i produktit përfundimtar.

· Karakteristikat kryesore:

Mund të arrijë një varësi të lartë shumështresëshore dhe të integrojë komponentë pasivë (rezistorë, kondensatorë) brenda nënstratit.

Saktësi e lartë dimensionale, me koeficient zonjimi termik të njejtë me atë të çipave gjysmëpërçuesëse;

Të metat: Proces i ndërlikuar, cikël i gjatë, kosto e lartë dhe trashësi e kufizuar e vijës.

Skena e aplikueshme: Modulët RF për stacione bazë 5G, pllaka pcb keramike miniaturike për industrinë hapsirë, pajisje komunikimi me frekuencë të lartë.

Procesi i ftohjes së bashku në temperaturë të lartë keramike

· Parimi kryesor: I ngjashëm me LTCC, por duke përdorur pulber keramike të pastër, temperatura e sinterimit është aq e lartë sa 1500 deri në 1600℃, dhe llëngu metalik përdor metale me pikë shkrirjeje të lartë si volfram dhe molibden.

· Karakteristikat kryesore:

Keramika ka dendësi të lartë, dhe fortësia mekanike dhe rezistenca ndaj temperaturës së lartë tejkalon shumë ato të LTCC-së.

Disavantazhet: Temperatura e sinterimit është ekstremisht e lartë, conductiviteti i llëngut metalik është i dobët, dhe kostoja është e shtrenjtë.

Raste Aplikueshme: Ambiente me temperaturë ekstreme të larta, pllaka keramike PCB për pajisje industrishe bërthamore.

PCB-të keramike, me përçueshmëri termike të shkëlqyeshme, rezistencë ndaj temperaturës së lartë dhe izolim, aplikohen kryesisht në skenare të larta me kërkesa të ashpra për ftohje dhe besueshmëri. Fushat bërthamë dhe aplikimet specifike janë si më poshtë:

Në fushën e veturave të reja energjetike

· Përbërësit bërthamë: Moduli i energjisë së ngarkimit, inverteri i montuar në mjet, kontrolluesi i motorrit, tabela e tensionit të lartë e sistemit të menaxhimit të baterisë, nënstratumi i drejtuesit të llambës LED të mjetit.

· Arsye aplikimi:

Mund të bartë rrymë të madhe, të shpërndajë shpejt nxehtësinë, të rezistojë ndaj mjedisit me temperatura alternative të larta dhe të ulëta në mjete, të sigurojë funksionimin e qëndrueshëm të pajisjeve të energjisë dhe të plotësojë kërkesat e jashtëzakonshme për përçueshmëri termike të pllakave PCB me pllaka keramike nitridi të aluminisë. kërkesat e jashtëzakonshme për përçueshmëri termike të pllakave PCB me pllaka keramike nitridi të aluminisë.

Fusha e pajisjeve gjysmëpërçuese dhe të energjisë

· Përbërësit bërthamë: Nënstrati i modulit IGBT, nënstrati i paketimit MOSFET, nënstrati i shpërndarjes së nxehtësisë për LED me fuqi të lartë, nënstrati i paketimit të diodës së laserit, nënstrati i përforcuesit të fuqisë RF.

· Arsye aplikimi: Koeficienti i zgjerimit termik i nënstrateve keramike përputhet me atë të çipave gjysmëpërçuese, duke zvogëluar dëmtimin nga tensioni termik. Përçueshmëria e tij termike e tejkalon shumë atë të FR-4, duke zgjidhur problemin e shpërndarjes së nxehtësisë në pajisjet me fuqi të lartë. Në mesin e tyre, pllakat PCB me nënstrat keramik me proces të trashë janë të përshtatshme për kërkesat e prodhimit masiv të LED-ve.

Fushat e aviacionit, hapësirës kosmike dhe industrisë ushtarake

· Përbërësit bërthamë: Moduli i energjisë për radar ajëror, bordi i shpërndarjes së energjisë për satelit, bordi i kontrollit të motorrave raketash, pllaka e qarkut për sistemin e udhëzimit të raketave, bordi i motorrit me fuqi të lartë për pajisje pa pilot.

· Arsye aplikimi:

PCB-të keramike me proces nitrid silici (Si₃N₄) ose HTCC janë të rezistente ndaj temperaturave ekstreme, vibracioneve, goditjeve dhe rrezatimit, gjë që i bën të përshtatshme për kushte të ashpra operative në industrinë ushtarake dhe hapsinore industrie.

Fusha e pajisjeve mjekësore

· Përbërësit bërthamë: Nënstrati i fuqisë për kirurgjinë me frekuencë të lartë, pllaka e përforcuesit të gradientit për rezonancë magnetike (MRI), bordi i kontrollit për pajisjet me laser, moduli i furnizimit me energji me tension të lartë për ventilator.

· Arsye aplikimi:

Fortësi e lartë izoluese (për shmangien e rrezikut të rrjedhjes), rezistencë ndaj temperaturës së lartë, transmetim stabil i sinjaleve, plotësimi i standardeve të sigurisë dhe besueshmërisë të pajisjeve mjekësore, efikasiteti i kostos së oksidit të aluminit pCB-ja keramike është e përshtatshme për skenarë konvencional mjekësorë.

Fusha e kontrollit industrial dhe e pajisjeve të larta

· Përbërësit bërthamë: Nënstrati i pajisjeve të nxehtësisë me induksion me frekuencë të lartë, njësia e energjisë e inverterit, bordi i servofreksencës së robotit industrial, bordi i sinjaleve të sensorit me temperaturë të lartë, bordi i energjisë i inverterit fotovoltaik.

· Arsye aplikimi:

I rezistent ndaj temperaturave të larta, lagështisë dhe vibrimeve në mjediset industriale, përcjellshmëria termike e lartë e PCB-së keramike me proces DBC/AMB siguron funksionimin e qëndrueshëm të pajisjeve me fuqi të lartë pajisje kontrolli industrial.

Fusha e komunikimit 5G dhe frekuencës radio

· Përbërësit bërthamë: moduli i fuqisë RF i stacionit bazë 5G, nënstrati i radarit me valë milimetrike, bordi me frekuencë të lartë për pajisje komunikimi satelitore.

· Arsye aplikimi:

PCB-ja keramike me proces LTCC mund të arrijë integrim me dendësi të lartë dhe tërheqje të komponentëve pasivë, me humbje dielektrike të ulëta, e përshtatshme për transmetim sinjalesh me frekuencë të lartë, dhe njëkohësisht plotëson kërkesat e shpërndarjes së nxehtësisë së pajisjeve të fuqisë të stacionit bazë.

Fusha të veçanta në mjediset ekstreme

· Përbërësit bërthamë: Paneli i kontrollit të pajisjeve të industrisë bërthamore, pllaka e qarkut të robotit për eksplorimin e thellësisë së detit, substrati i sensorit për furrat industriale me temperaturë të lartë.

· Arsye aplikimi:

PCB-të keramike janë të rezistente ndaj rrezatimit, korrozionit dhe temperaturave të larta. Performanca e tyre nuk zvogëlohet në mjedise ekstreme si rrezatimi bërthamor, presioni i lartë në thellësinë e detit dhe temperaturat e larta. pCB-të keramike me oksid beriliumi janë të përshtatshme për skenarët e industrisë bërthamore.