Plăcile tradiționale din fibră de sticlă FR-4 tind să dezvolte o formă de „arc” după lipirea prin reflow. Acesta este un rezultat inevitabil al dezechilibrului dintre stresul termic și proprietățile fizice ale materialului. PCB-urile tradiționale suferă de defecte de lipire a componentelor și defecțiuni ale echipamentelor din cauza deformării. Un tip de PCB care utilizează ceramică ca substrat, cu stabilitatea sa fizică aproape-perfectă, devine alegerea de bază pentru dispozitivele electronice de-înaltă putere sau de înaltă fiabilitate.
De ce nu se deformează substraturile ceramice?
Cauza principală a deformarii PCB constă în nepotrivirea dintre coeficienții de dilatare termică ai materialelor și eliberarea stresului intern. Substraturile obișnuite FR-4 sunt formate prin lipirea pânzei din fibră de sticlă și a rășinii epoxidice. Rășina se înmoaie când este încălzită și se micșorează când este răcită. Folia de cupru asimetrică pe ambele părți exacerbează și mai mult deformarea.
Substraturile ceramice au caracteristici complet diferite. Folosesc ca bază foile verzi ceramice sinterizate la temperatură înaltă-, prezentând un modul elastic foarte mare și un coeficient de dilatare termică extrem de scăzut. În timpul producției, folia de cupru este atașată de suprafața ceramică prin tehnologia de presare la cald-înaltă la temperatură sau de placare directă cu cupru, obținând mai degrabă o legătură intermoleculară decât o simplă lipire adezivă. Acest lucru permite structurii compozite să mențină stabilitatea dimensională chiar și în condiții de temperatură extremă.
Ceramica cu alumină: Regele costurilor-eficienței
Alumina este în prezent cel mai utilizat material de substrat ceramic, care conține între 75% și 99,5% alumină. O puritate ridicată de 99,5% are ca rezultat o suprafață netedă și densă, cu pierderi dielectrice extrem de scăzute, făcându-l potrivit pentru circuite de-înaltă frecvență.
Conductivitatea termică a aluminei este de aproximativ 24 până la 28 W/(m·K), semnificativ mai mare decât FR{-4's 0,3 W/(m·K). Cu toate acestea, este încă scurt în aplicațiile de putere ultra-înaltă. Se mândrește cu materii prime abundente, rezistență mecanică ridicată și stabilitate chimică excelentă, făcându-l un exemplu excelent de produs care echilibrează performanța și costul, deținând astfel o poziție dominantă în domeniul microelectronică și al modulelor de putere.
Conductivitatea termică ridicată a nitrurii de aluminiu este bine{0}}potrivită cu plăcile de siliciu. Apariția ceramicii cu nitrură de aluminiu a rezolvat problema conductibilității termice insuficiente în alumină, realizând o conductivitate termică de peste 170 W/(m·K), de șapte ori mai mare decât a aluminei și chiar depășind-o pe cea a aluminiului metalic.
Mai important, coeficientul de dilatare termică al nitrurii de aluminiu este extrem de apropiat de cel al plăcilor de siliciu semiconductoare. Atunci când cipurile de mare-putere sunt montate direct pe substrat, coeficientul de expansiune similar evită efectiv solicitarea de forfecare cauzată de ciclul termic, prevenind astfel fisurarea așchiilor sau oboseala îmbinărilor de lipire. Procesul său de fabricație are cerințe extrem de ridicate pentru controlul conținutului de oxigen; cu cât impuritățile de oxigen sunt mai mici, cu atât conductivitatea termică este mai puternică.
Conductivitate termică ridicată și limitări de toxicitate ale oxidului de beriliu
Ceramica cu oxid de beriliu prezintă o conductivitate termică excepțională, chiar depășind-o pe cea a nitrurii de aluminiu, atingând peste 250 W/(m·K) la temperatura camerei. A fost cândva materialul preferat în câmpurile cu cerințe extrem de stricte de disipare a căldurii.
Cu toate acestea, pulberea de oxid de beriliu este toxică. Dacă praful generat în timpul producției și procesării este inhalat, acesta poate provoca boli pulmonare grave. În mod similar, dacă praful generat în timpul eliminării este inhalat, acesta poate provoca și boli pulmonare grave. Acest defect fatal îi limitează grav dezvoltarea. În prezent, este utilizat doar în foarte puține domenii militare specializate cu măsuri de protecție cuprinzătoare și, de asemenea, în foarte puține domenii aerospațiale specializate cu măsuri de protecție cuprinzătoare. Piața civilă a fost în mare parte înlocuită cu nitrură de aluminiu.
Avantajele de bază ale PCB-urilor ceramice
Cel mai evident avantaj al substraturilor ceramice este capacitatea lor puternică de purtare a curentului-. Datele experimentale arată că atunci când un curent de 100 A curge continuu printr-un substrat de cupru de 1 mm grosime de 0,3 mm, creșterea temperaturii este de numai 17 grade. Dacă grosimea cuprului crește la 2 mm, creșterea temperaturii poate fi controlată până la 5 grade.
În plus, are proprietăți excelente de izolare, care pot rezista la tensiune înaltă. Această proprietate asigură siguranța echipamentelor și a personalului. Deoarece nu necesită adezivi organici, performanța sa este extrem de stabilă în medii cu temperatură ridicată-și umiditate ridicată-. În plus, aderența foliei de cupru este foarte puternică și nu se va desprinde din cauza schimbărilor drastice de temperatură, ceea ce face fiabilitatea acesteia mult superioară PCB-urilor obișnuite.
Opțiuni de fabricație pentru PCB-uri ceramice
Chiar dacă substraturile ceramice prezintă performanțe superioare, natura lor fragilă limitează utilizarea lor în fabricarea plăcilor cu suprafețe mari-, iar prețul lor este mult mai mare decât FR-4. Un substrat cu nitrură de aluminiu de 100 mm poate costa de zeci de ori mai mult decât un FR-4 de aceeași dimensiune.
Prin urmare, este utilizat în principal în aplicații-de ultimă generație, cum ar fi LED-uri-de mare putere, sisteme de aprindere auto, surse de alimentare cu comutare de-înaltă frecvență, aerospațială și electronică militară. Alegerea unui substrat ceramic înseamnă alegerea stabilității și fiabilității finale. În cercetarea și dezvoltarea efectivă sau în producția de-loturi mici, selectarea unui producător profesionist și de încredere este extrem de crucială. JEP PCB a fost profund implicat în industrie de mulți ani, având capacități profesionale de procesare a substratului ceramic. De la prototipare până la producția de masă, poate oferi un răspuns rapid și suport stabil pentru proces, asigurându-vă că proiectarea dvs. de înaltă-performanță poate fi realizată cu precizie.
Deci, în proiectarea produsului, veți acorda prioritate controlului costurilor sau veți alege un substrat ceramic din cauza creșterii temperaturii cu 5 grade și a fiabilității și stabilității de neegalat? Simțiți-vă liber să vă împărtășiți opiniile în secțiunea de comentarii, să apreciați și să distribuiți acest articol, astfel încât mai mulți ingineri să poată vedea acest lucru-popularizarea științifică în profunzime.