Οι παραδοσιακές FR-4 σανίδες από υαλοβάμβακα τείνουν να αναπτύσσουν σχήμα "καμάρας" μετά τη συγκόλληση με επαναροή. Αυτό είναι ένα αναπόφευκτο αποτέλεσμα της ανισορροπίας μεταξύ της θερμικής καταπόνησης και των φυσικών ιδιοτήτων του υλικού. Τα παραδοσιακά PCB υποφέρουν από ελαττώματα συγκόλλησης εξαρτημάτων και δυσλειτουργίες εξοπλισμού λόγω παραμόρφωσης. Ένας τύπος PCB που χρησιμοποιεί κεραμικό ως υπόστρωμά του, με σχεδόν-την τέλεια φυσική του σταθερότητα, γίνεται η βασική επιλογή για ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής-ισχύς ή υψηλής αξιοπιστίας.
Γιατί τα κεραμικά υποστρώματα δεν παραμορφώνονται;
Η βασική αιτία της παραμόρφωσης των PCB έγκειται στην αναντιστοιχία μεταξύ των συντελεστών θερμικής διαστολής των υλικών και της απελευθέρωσης της εσωτερικής καταπόνησης. Τα συνηθισμένα υποστρώματα FR-4 σχηματίζονται με συγκόλληση υφασμάτων από υαλοβάμβακα και εποξειδικής ρητίνης. Η ρητίνη μαλακώνει όταν θερμαίνεται και συρρικνώνεται όταν ψύχεται. Το ασύμμετρο φύλλο χαλκού και στις δύο πλευρές επιδεινώνει περαιτέρω την παραμόρφωση.
Τα κεραμικά υποστρώματα έχουν εντελώς διαφορετικά χαρακτηριστικά. Χρησιμοποιούν υψηλής{1}}θερμοκρασίας πυροσυσσωματωμένα κεραμικά πράσινα φύλλα ως βάση, που παρουσιάζουν πολύ υψηλό συντελεστή ελαστικότητας και εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής. Κατά την κατασκευή, το φύλλο χαλκού προσκολλάται στην κεραμική επιφάνεια μέσω υψηλής-θερμικής πίεσης ή τεχνολογίας άμεσης επιμετάλλωσης χαλκού, επιτυγχάνοντας διαμοριακή συγκόλληση και όχι απλή συγκόλληση με κόλλα. Αυτό επιτρέπει στη σύνθετη δομή να διατηρεί σταθερότητα διαστάσεων ακόμη και κάτω από ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας.
Κεραμικά αλουμίνας: Ο βασιλιάς του κόστους-Αποτελεσματικότητας
Η αλουμίνα είναι σήμερα το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό κεραμικού υποστρώματος, που περιέχει μεταξύ 75% και 99,5% αλουμίνα. Η υψηλή καθαρότητα 99,5% έχει ως αποτέλεσμα μια λεία και πυκνή επιφάνεια με εξαιρετικά χαμηλές διηλεκτρικές απώλειες, καθιστώντας την κατάλληλη για κυκλώματα υψηλής-συχνότητας.
Η θερμική αγωγιμότητα της αλουμίνας είναι περίπου 24 έως 28 W/(m·K), σημαντικά υψηλότερη από τα 0,3 W/(m·K) του FR-4. Ωστόσο, εξακολουθεί να υπολείπεται σε εφαρμογές εξαιρετικά υψηλής ισχύος. Διαθέτει άφθονες πρώτες ύλες, υψηλή μηχανική αντοχή και εξαιρετική χημική σταθερότητα, καθιστώντας το ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα προϊόντος που εξισορροπεί την απόδοση και το κόστος, κατέχοντας έτσι κυρίαρχη θέση στους τομείς της μικροηλεκτρονικής και των μονάδων ισχύος.
Η υψηλή θερμική αγωγιμότητα του νιτριδίου αλουμινίου-ταιριάζει καλά με τις γκοφρέτες πυριτίου. Η εμφάνιση κεραμικών νιτριδίου αλουμινίου έλυσε το πρόβλημα της ανεπαρκούς θερμικής αγωγιμότητας στην αλουμίνα, επιτυγχάνοντας θερμική αγωγιμότητα άνω των 170 W/(m·K), επτά φορές μεγαλύτερη από αυτήν της αλουμίνας και ξεπερνώντας ακόμη και αυτή του μεταλλικού αλουμινίου.
Το πιο σημαντικό είναι ότι ο συντελεστής θερμικής διαστολής του νιτριδίου του αλουμινίου είναι εξαιρετικά κοντά σε αυτόν των πλακιδίων πυριτίου ημιαγωγών. Όταν τα τσιπ υψηλής ισχύος- τοποθετούνται απευθείας στο υπόστρωμα, ο παρόμοιος συντελεστής διαστολής αποτρέπει αποτελεσματικά την τάση διάτμησης που προκαλείται από τη θερμική ανακύκλωση, αποτρέποντας έτσι το ράγισμα του τσιπ ή την κόπωση των αρμών συγκόλλησης. Η διαδικασία κατασκευής του έχει εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις για τον έλεγχο της περιεκτικότητας σε οξυγόνο. Όσο χαμηλότερες είναι οι ακαθαρσίες οξυγόνου, τόσο ισχυρότερη είναι η θερμική αγωγιμότητα.
Υψηλή θερμική αγωγιμότητα και περιορισμοί τοξικότητας του οξειδίου του βηρυλλίου
Τα κεραμικά οξειδίου του βηρυλλίου παρουσιάζουν εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα, ξεπερνώντας ακόμη και αυτή του νιτριδίου του αργιλίου, φτάνοντας πάνω από 250 W/(m·K) σε θερμοκρασία δωματίου. Κάποτε ήταν το προτιμώμενο υλικό σε χωράφια με εξαιρετικά αυστηρές απαιτήσεις απαγωγής θερμότητας.
Ωστόσο, η σκόνη οξειδίου του βηρυλλίου είναι τοξική. Εάν η σκόνη που δημιουργείται κατά την παραγωγή και την επεξεργασία εισπνευστεί, μπορεί να προκαλέσει σοβαρές ασθένειες των πνευμόνων. Ομοίως, εάν η σκόνη που δημιουργείται κατά την απόρριψη εισπνευστεί, μπορεί επίσης να προκαλέσει σοβαρές ασθένειες των πνευμόνων. Αυτό το μοιραίο ελάττωμα περιορίζει σοβαρά την ανάπτυξή του. Επί του παρόντος, χρησιμοποιείται μόνο σε πολύ λίγα εξειδικευμένα στρατιωτικά πεδία με ολοκληρωμένα μέτρα προστασίας, καθώς και σε πολύ λίγα εξειδικευμένα αεροδιαστημικά πεδία με ολοκληρωμένα προστατευτικά μέτρα. Η πολιτική αγορά έχει αντικατασταθεί σε μεγάλο βαθμό από το νιτρίδιο του αλουμινίου.
Τα βασικά πλεονεκτήματα των κεραμικών PCB
Το πιο προφανές πλεονέκτημα των κεραμικών υποστρωμάτων είναι η ισχυρή τους ικανότητα μεταφοράς ρεύματος-. Πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι όταν ένα ρεύμα 100Α ρέει συνεχώς μέσα από ένα χάλκινο υπόστρωμα πάχους 1mm 0,3mm, η αύξηση της θερμοκρασίας είναι μόνο περίπου 17 βαθμούς. Εάν το πάχος του χαλκού αυξηθεί στα 2 mm, η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να ελεγχθεί εντός 5 μοιρών.
Επιπλέον, έχει εξαιρετικές μονωτικές ιδιότητες που αντέχουν σε υψηλή τάση. Αυτή η ιδιοκτησία διασφαλίζει την ασφάλεια του εξοπλισμού και του προσωπικού. Επειδή δεν απαιτεί οργανικές κόλλες, η απόδοσή του είναι εξαιρετικά σταθερή σε περιβάλλοντα υψηλής-θερμοκρασίας και υψηλής-υγρασίας. Επιπλέον, η πρόσφυση του φύλλου χαλκού είναι πολύ ισχυρή και δεν θα αποκολληθεί λόγω δραστικών αλλαγών θερμοκρασίας, καθιστώντας την αξιοπιστία του πολύ ανώτερη από τα συνηθισμένα PCB.
Επιλογές κατασκευής για κεραμικά PCB
Παρόλο που τα κεραμικά υποστρώματα παρουσιάζουν ανώτερη απόδοση, η εύθραυστη φύση τους περιορίζει τη χρήση τους στην κατασκευή σανίδων-μεγάλης επιφάνειας και η τιμή τους είναι πολύ υψηλότερη από το FR-4. Ένα πλευρικό υπόστρωμα νιτριδίου αλουμινίου 100 mm μπορεί να κοστίζει δεκάδες φορές περισσότερο από ένα FR-4 ίδιου μεγέθους.
Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται κυρίως σε εφαρμογές υψηλών-τερμάτων, όπως LED υψηλής{{1} ισχύος, συστήματα ανάφλεξης αυτοκινήτου, τροφοδοτικά μεταγωγής υψηλής-συχνότητας, αεροδιαστημική και στρατιωτικά ηλεκτρονικά. Η επιλογή ενός κεραμικού υποστρώματος σημαίνει την επιλογή της απόλυτης σταθερότητας και αξιοπιστίας. Στην πραγματική Ε&Α ή στην παραγωγή μικρής-παρτίδας, η επιλογή ενός επαγγελματία και αξιόπιστου κατασκευαστή είναι εξαιρετικά σημαντική. Η JEP PCB έχει εμπλακεί βαθιά στη βιομηχανία εδώ και πολλά χρόνια, διαθέτοντας επαγγελματικές δυνατότητες επεξεργασίας κεραμικού υποστρώματος. Από την κατασκευή πρωτοτύπων έως τη μαζική παραγωγή, μπορεί να παρέχει γρήγορη απόκριση και σταθερή υποστήριξη διαδικασίας, διασφαλίζοντας ότι ο σχεδιασμός υψηλής απόδοσης- σας μπορεί να επιτευχθεί με ακρίβεια.
Επομένως, στο σχεδιασμό του προϊόντος σας, θα δώσετε προτεραιότητα στον έλεγχο του κόστους ή θα επιλέξετε ένα κεραμικό υπόστρωμα λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας κατά 5 βαθμούς και της απαράμιλλης αξιοπιστίας και σταθερότητάς του; Μοιραστείτε ελεύθερα τις απόψεις σας στην ενότητα σχολίων, κάντε like και κοινοποιήστε αυτό το άρθρο, ώστε περισσότεροι μηχανικοί να μπορούν να το δουν-σε βάθος τη διάδοση της επιστήμης.