ПЦБ од керамике

Шта је керамички ПЦБ?

ПЦБ од керамике је крути штампани колач који као изолационе подлоге користи керамичке материјале, као што су алуминијум оксид Al₂O₃, алуминијум нитрид AlN, силицијум нитрид Si₃N₄ итд., и прекривен је бакарном фолијом како би формирао проводне кола. Припада висококвалитетним специјалним PCB-овима. Основна карактеристика је да његова топлотна проводљивост, изолација и отпорност на високе температуре значајно надмашују оне код традиционалних FR-4 PCB-ова.

Као висококвалитетна специјална ППМ, кључне предности керамичке ППМ су концентрисане на кључним димензијама као што су расипање топлоте, отпорност на температуру, изолација и стабилност, као што је наведено испод:

· Врхунска перформанса расипања топлоте:

Топлотна проводљивост керамичких подлога (посебно нитрида алуминијума) може достићи 170–230 W/(m · K), што је више од 500 пута више у односу на традиционалне FR-4 ППМ (око 0,3 W/(m · K)). Може брзо одвести топлоту коју генеришу високоснажни уређаји, ефикасно смањити повећање температуре уређаја и спречити топлотну отказивања. Компатибилна је са сценаријима са високом густином топлотног тока, као што су IGBT модули и високоснажне LED диоде.

· Изузетно висока отпорност на топлоту:

Дугорочно радна температура може достићи преко 200℃, а краткорочна температура може издржати до 500℃, што је знатно боље од FR-4 ППМ (≤130℃). Може се прилагодити екстремним условима температуре као што су аеропростор и индустријска опрема за високе температуре без деформације или старења подлоге услед високих температура.

· Изузетна изолациона чврстоћа:

Напон пробоя ≥10kV/mm, изолациона перформанса значајно премашује FR-4 PCB, може стабилно радити у високонапонским колима, избегава ризик цурења и пробоја и испуњава захтеве за изолациону сигурност пумпи за пуњење и високонапонске индустријске контролне опреме. опреме.

· Добра термална компатибилност:

Коефицијент топлотног ширења керамичких субстрата је близу којефицијенту полупроводничких чипова, што може смањити топлотни стрес узрокован променама температуре, смањити ризик од пуцања и одвајања на чипа и подлоге, и повећава поузданост и век трајања паковања уређаја.

· Хемијска и еколошка стабилност:

Отпоран на киселине и алкалије, зрачење и корозију. Његове перформансе се не смањују у екстремним условима попут влажности, јаких електромагнетних поља и зрачења. Погодан је за специјалне сценарије попут аеропростора, морске експлорације и опреме нуклеарне индустрије.

· Висока механичка чврстоћа:

Керамичке подлоге имају високу тврдоћу и јаку отпорност на удар. Посебно табла од нитрида силицијума, могу издржати механичка оптерећења попут вибрација и судара, због чега су погодне за радне услове са честим вибрацијама у возилима и гужвом саобраћају.

· Ниски губици диелектрика:

Керамички материјали имају стабилну диелектричну константу и ниске губитке диелектрика, што резултира малим губицима при преносу сигнала у високим фреквенцијама. Погодни су за високofреквенцијске примене попут РФ модула 5G базних станица и радарске опреме.

Процес производње керамичке штампане плоче разликује се од процеса трављења традиционалних FR-4 штампаних плоча. Основни фокус је поуздано спајање керамичких подлога и слојева бакра. Главне технолошке методе могу се поделити у следеће категорије, при чему свака има своје техничке карактеристике и области примене:

Директан процес ламинирања бакарним фолијама

· Основни принцип: Медна фолија и керамичка субстрата од алуминијум оксида/алуминијум нитрида подвргну се еутектичном заваривању на високим температурама. Еутектика бакар-кисеоксиген-керамика реакција како би се створио металиуршки везни слој, остварујући чврсту везу између бакра и керамике.

· Фазе процеса : Чишћење керамичке подлоге → резање бакарне фолије → Ламинирање бакарне фолије и керамике → високотемпературно вакуумско еутектичко спајање → хлађење → Трављење кола → контрола готовог производа.

· Кључне карактеристике:

Висока чврстоћа везивања, одлична топлотна проводност (без междинског слоја везивања);

Дебљина слоја бакра има широк опсег избора (0,1 до 3mm) и подржава дизајн дебелих бакарних кола.

Има добру отпорност на високе температуре и отпорност на термички удар, погодан за уређаје са великим снагама.

Недостаци: Висока температура спајања, строги захтеви за опрему, погодан само за керамику на бази алуминијум оксида и алуминијум нитрида, није компатибилан са силицијум нитридом.

Примењива подручја: Подлоге IGBT модула, енергетски модули за полеге за пуњење, подлоге за LED са великим снагама.

Поступак лемљења активним металом

· Основни принцип: Између фолије од бакра и керамичке подлоге додаје се лем који садржи активне метале као што су титанијум и цирконијум. У вакуумском окружењу на температури од 800 до 950℃, активни метали улазе у хемијску реакцију са површином керамике и стварају хемијске везе, док се лем стопи да би спојио бакарну фолију и керамику.

· Кораци процеса: Pretretman keramičkog supstrata → Nanosenje lema → Laminiranje bakarne folije i keramike → Vakuumsko lemljenje → Obrada kola → Završna obrada.

· Кључне карактеристике:

Ima široku prilagodljivost i može se koristiti na svim keramičkim supstratima kao što su aluminijum-oksid, aluminijum-nitrid, silicijum-nitrid, itd.

Temperatura sinterovanja je niža u odnosu na DBC, što nanosi manje oštećenje keramičkom supstratu.

Visoka čvrstoća veze i izuzetna otpornost na cikluse hladno/vruće (bez otkazivanja nakon ≥1000 ciklusa na -40 do 150℃).

Mane: Cena lemnog materijala je visoka, a složenost procesa je veća u odnosu na DBC.

Primena: PCB-ovi od silicijum-nitridne keramike za vazduhoplovstvo, visokonaponski supstrati visoke pouzdanosti za vozila.

Proces debelog filma

· Основни принцип: Metalna pasta (srebro, bakar, legura paladijum-srebro) nanosi se na površinu keramičkog supstrata štancanjem kroz sitotisk. Nakon visokotemperaturnog sinterovanja, metalna pasta se očvrsne i formira provodna kola, čime se eliminira potreba za nanošenjem bakarne folije.

· Кораци процеса: Чишћење керамичког супстрата → штампање металне пасте кроз сито → сушење → синтеровање на високој температури → вишефазно штампање/синтеровање (згушњавање кола по потреби) → штампање изолационог слоја (ако има више слојева) потребно) → контрола готовог производа.

· Кључне карактеристике:

Процес је флексибилан, омогућава израду финих кола и подржава вишеслојно проводљење.

Релативно је ниског трошка и погодан је за производњу малих серија и произвођење по наруџбини.

Мане: Топлотна проводљивост кола је нижа у односу на процес бакром прекривених плочица, паста од бакра је склона оксидацији, а поузданост је делимично лошија.

Области примене: Плоче кола за мале сензоре, високofреквентне керамичке штампане плоче за медицинску опрему, керамички супстрати ниског нивоа.

Процес нискотемпературног ко-синтеровања керамике

· Основни принцип: Керамички прах се меша са органско везивима како би се добили суви керамички тракови. Бушењем се праве рупе и попуњавају металном масом (сребро, бакар) на сувим керамичким тракама ради формирања кола/вииа. Након што се више слојева сувих керамичких трака наслага, они се заједнички спаљују на ниским температурама како би се одједном добили вишеслојни керамички штампани кол-ски панели.

· Кораци процеса: Припрема сувих порцеланских трака → Бушење → Пуњење металном масом → Ламинирање и наслагање → Ниско-температурно заједничко спаљивање → Површинска металлизација → Контрола готовог производа.

· Кључне карактеристике:

Може остварити вишеслојну жицу високе густине и интегрисати пасивне компоненте (отпорнике, кондензаторе) унутар подлоге.

Висока тачност димензија, са коефицијентом топлотног ширења који одговара полупроводничким чиповима;

Недостаци: Сложен процес, дугачак циклус, висока цена и ограничена дебљина линије.

Примењива подручја: РФ модули за 5G базне станице, минијатурне керамичке штампане плоче за аероспејс, опрема за високофреквенцијску комуникацију.

Процес високо-температурног заједничког спаљивања керамике

· Основни принцип: Слично као LTCC, али користи чисту керамичку прашину, температура спајања је висока као 1500 до 1600℃, а метална паста користи метала са високом тачком топљења као што су волфрам и молибден.

· Кључне карактеристике:

Керамика има високу густину, а механичка чврстоћа и отпорност на високе температуре далеко су изнад оних код LTCC-а.

Недостаци: Температура спајања је екстремно висока, проводљивост металне пасте је лоша, а трошкови су високи.

Прикладни сценарија: Екстремне средине са високим температурама, керамичке PCBS за опрему нуклеарне индустрије.

Keramičke štampane ploče, zahvaljujući izvrsnoj toplotnoj provodljivosti, otpornosti na visoke temperature i izolaciji, primenjuju se uglavnom u visokoklasnim scenarijima sa strogo definisanim zahtevima za odvođenje toplote i pouzdanost. Ključna područja i specifične primene su sledeća:

У области возила на нову енергију

· Ključni komponenti: Modul za punjenje baterije, vozilo invertor, kontroler motora, visokonaponska ploča sistema za upravljanje baterijom, podloga pogona LED svetala za vozila.

· Razlozi za primenu:

Mogu prenositi velike struje, brzo odvesti toplotu, izdržati ciklične visoke i niske temperature u vozilima, osigurati stabilan rad snabdevačkih uređaja i ispunjavati zahteve za ultra visokom toplotnom provodljivošću keramičkih PCB ploča od nitrida aluminijuma.

Oblast poluprovodnika i snabdevačkih uređaja

· Ključni komponenti: Podloga IGBT modula, podloga za MOSFET pakovanje, podloga za rasipanje toplote kod visokosnanih LED dioda, podloga za pakovanje laser dioda, podloga za RF pojačavač snage.

· Razlozi za primenu: Коефицијент топлотног ширења керамичких подлога поклапа се са коефицијентом полупроводничких чипова, чиме се смањује отказивање услед топлотног напона. Нjегова топлотна проводљивост знатно премашује FR-4, што решава проблем расипања топлоте код уређаја високе снаге. Међу њима, PCB-ови од керамичке подлоге по процесу дебелог филма погодни су за захтеве масовне производње LED осветљења.

Аеросвемирска и војна индустрија

· Ključni komponenti: Модул напајања за радар на авиону, плоча за дистрибуцију струје на сателиту, контролна плоча ракетног мотора, плоча кола система вођења пројектила, управљачка плоча високе снаге за безпилотни летелици.

· Razlozi za primenu:

Плоче од нитрида силицијума (Si₃N₄) или керамичке PCB-ове по HTCC процесу отпорне су на екстремне температуре, вибрације и ударе као и на зрачење, што их чини погодним за сурове услове рада у аеросвему и војсци. индустрије.

Област медицинске опреме

· Ključni komponenti: Подлога напајања за високофреквентни електрохируршки нож, плоча градијентног појачала за нуклеарну магнетну резонанцу (MRI), контролнa плочa за ласерску опрему за терапију, модул напајања високог напона за вентилатор.

· Razlozi za primenu:

Висока изолациона чврстоћа (спречавање ризика од цурења), отпорност на високе температуре, стабилна трансмисија сигнала, испуњава стандарде сигурности и поузданости медицинске опреме, добар однос цена-перформансе код алуминијум оксида керамичка PCB је погодна за конвенционалне медицинске сценарије.

Област индустријског управљања и високотехнолошке опреме

· Ključni komponenti: Супстрат за опрему за високофреквентно индукционо загревање, јединица напајања инвертора, плоча серво-погона индустријског робота, сигнална плоча сензора на високој температури, енергетска плоча фотонапонског инвертора.

· Razlozi za primenu:

Отпорна на високе температуре, влажност и вибрације у индустријским условима, висока топлотна проводљивост керамичких PCB-ова DBC/AMB процеса обезбеђује дуготрајно стабилан рад високих снага опрема за индустријску контролу.

Област 5G комуникације и радио фреквенције

· Ključni komponenti: rF модул снаге 5G базе, супстрат милиметарског таласног радара, високофреквентна плоча за опрему за сателитску комуникацију.

· Razlozi za primenu:

LTCC процес керамичке штампане плоче омогућава високостепену интеграцију и уграђивање пасивних компоненти, са ниском диелектричном таношћу, погодан за пренос високих фреквенција, истовремено задовољавајући захтеве за расипањем топлоте базних станица напајања.

Појединачна подручја екстремног окружења

· Ključni komponenti: Плоча контроле опреме у нуклеарној индустрији, плоча робота за истраживање дубоког мора, подлога сензора за високотемпературну индустријску пећ.

· Razlozi za primenu:

Керамичке штампане плоче отпорне су на зрачење, корозију и високе температуре. Њихов рад се не смањује у екстремним условима као што су нуклеарно зрачење, високи притисак на дубоком мору и високе температуре у пећима. Берилијум-оксидне керамичке штампане плоче погодне су за примену у нуклеарној индустрији.