Traditionella FR-4 glasfiberskivor tenderar att utveckla en "bågform" efter återflödeslödning. Detta är ett oundvikligt resultat av obalansen mellan termisk stress och materialets fysiska egenskaper. Traditionella PCB lider av komponentlödningsdefekter och utrustningsfel på grund av skevhet. En typ av PCB som använder keramik som substrat, med sin nästan-perfekta fysiska stabilitet, håller på att bli kärnvalet för elektroniska enheter med hög-effekt eller hög tillförlitlighet.
Varför blir inte keramiska underlag skeva?
Grundorsaken till PCB-förvrängning ligger i oöverensstämmelsen mellan materialens värmeutvidgningskoefficienter och frigörandet av inre spänningar. Vanliga FR-4-substrat bildas genom att limma glasfibertyg och epoxiharts. Hartset mjuknar vid upphettning och krymper vid kylning. Asymmetrisk kopparfolie på båda sidor förvärrar deformationen ytterligare.
Keramiska substrat har helt andra egenskaper. De använder sintrade keramiska gröna ark med hög-temperatur som bas, som uppvisar mycket hög elasticitetsmodul och extremt låg värmeutvidgningskoefficient. Under tillverkningen fästs kopparfolie på den keramiska ytan via hög-temperatur varmpressning eller direkt kopparplätering, vilket ger intermolekylär bindning snarare än enkel limbindning. Detta gör att kompositstrukturen kan bibehålla dimensionsstabilitet även under extrema temperaturförhållanden.
Aluminiumoxidkeramik: Kungen av kostnad-effektivitet
Aluminiumoxid är för närvarande det mest använda keramiska substratmaterialet, som innehåller mellan 75 % och 99,5 % aluminiumoxid. En hög renhet på 99,5 % resulterar i en slät och tät yta med extremt låg dielektrisk förlust, vilket gör den lämplig för hög-kretsar.
Den termiska konduktiviteten hos aluminiumoxid är ungefär 24 till 28 W/(m·K), betydligt högre än FR-4s 0,3 W/(m·K). Det kommer dock fortfarande till kort i applikationer med ultrahög effekt. Den har rikligt med råvaror, hög mekanisk hållfasthet och utmärkt kemisk stabilitet, vilket gör den till ett utmärkt exempel på en produkt som balanserar prestanda och kostnad, och därmed har en dominerande ställning inom mikroelektronik och kraftmodulfält.
Aluminiumnitrids höga värmeledningsförmåga är väl-matchad till kiselskivor. Framväxten av aluminiumnitridkeramer har löst problemet med otillräcklig värmeledningsförmåga i aluminiumoxid, vilket har uppnått en värmeledningsförmåga som överstiger 170 W/(m·K), sju gånger högre än för aluminiumoxid och till och med överträffande den för metalliskt aluminium.
Ännu viktigare är att aluminiumnitrids termiska expansionskoefficient är extremt nära den för halvledarkiselskivor. När hög-chips är direkt monterade på substratet undviker den liknande expansionskoefficienten effektivt skjuvspänning orsakad av termisk cykling, vilket förhindrar sprickor i spån eller utmattning av lödfogar. Dess tillverkningsprocess har extremt höga krav på syrehaltskontroll; ju lägre syreföroreningar desto starkare värmeledningsförmåga.
Hög värmeledningsförmåga och toxicitetsbegränsningar för berylliumoxid
Berylliumoxidkeramer uppvisar exceptionell värmeledningsförmåga, till och med överträffande aluminiumnitrid, och når över 250 W/(m·K) vid rumstemperatur. Det var en gång det föredragna materialet i fält med extremt stränga krav på värmeavledning.
Berylliumoxidpulver är dock giftigt. Om damm som genereras under produktion och bearbetning andas in kan det orsaka allvarliga lungsjukdomar. På samma sätt, om damm som genereras vid kassering andas in, kan det också orsaka allvarliga lungsjukdomar. Denna dödliga brist begränsar allvarligt dess utveckling. För närvarande används det bara inom ett fåtal specialiserade militära områden med omfattande skyddsåtgärder, och även inom ett mycket fåtal specialiserade flygfält med omfattande skyddsåtgärder. Den civila marknaden har till stor del ersatts av aluminiumnitrid.
Kärnfördelarna med keramiska PCB
Den mest uppenbara fördelen med keramiska substrat är deras starka-strömförande kapacitet. Experimentella data visar att när en 100A ström kontinuerligt flyter genom ett 1 mm tjockt 0,3 mm kopparsubstrat, är temperaturökningen bara runt 17 grader. Om koppartjockleken ökas till 2 mm kan temperaturökningen kontrolleras till inom 5 grader.
Dessutom har den utmärkta isoleringsegenskaper som tål hög spänning. Denna egenskap garanterar säkerheten för utrustning och personal. Eftersom det inte kräver organiska lim, är dess prestanda extremt stabil i miljöer med hög-temperatur och hög-fuktighet. Dessutom är kopparfoliens vidhäftning mycket stark och kommer inte att lossna på grund av drastiska temperaturförändringar, vilket gör dess tillförlitlighet vida överlägsen vanliga PCB.
Tillverkningsalternativ för keramiska kretskort
Även om keramiska substrat uppvisar överlägsen prestanda, begränsar deras ömtåliga karaktär deras användning vid tillverkning av stora-plattor, och deras pris är mycket högre än FR-4. Ett aluminiumnitridsubstrat på 100 mm på sidan kan kosta tiotals gånger mer än en FR-4 av samma storlek.
Därför används den huvudsakligen i avancerade-tillämpningar som hög-lysdioder, tändsystem för fordon, hög-växlingsströmförsörjning, flyg- och militärelektronik. Att välja ett keramiskt underlag innebär att man gör ett val av ultimat stabilitet och tillförlitlighet. I faktisk FoU eller liten-batchproduktion är det oerhört viktigt att välja en professionell och pålitlig tillverkare. JEP PCB har varit djupt involverad i branschen i många år och har professionell bearbetningskapacitet för keramiska substrat. Från prototypframställning till massproduktion kan den ge snabb respons och stabilt processstöd, vilket säkerställer att din högpresterande design kan uppnås korrekt.
Så, i din produktdesign, kommer du att prioritera kostnadskontroll, eller kommer du att välja ett keramiskt substrat på grund av dess 5 graders temperaturhöjning och oöverträffade tillförlitlighet och stabilitet? Dela gärna med dig av dina åsikter i kommentarsavsnittet, gilla och dela den här artikeln så att fler ingenjörer kan se detta i-djupgående vetenskaplig popularisering.