Tradisjonelle FR-4 glassfiberplater har en tendens til å utvikle en "bue"-form etter reflow-lodding. Dette er et uunngåelig resultat av ubalansen mellom termisk stress og materialets fysiske egenskaper. Tradisjonelle PCB lider av loddefeil og utstyrsfeil på grunn av vridning. En type PCB som bruker keramikk som underlag, med sin nesten-perfekte fysiske stabilitet, er i ferd med å bli kjernevalget for elektroniske enheter med høy-effekt eller høy pålitelighet.
Hvorfor deformeres ikke keramiske underlag?
Grunnårsaken til PCB-vridning ligger i misforholdet mellom de termiske ekspansjonskoeffisientene til materialene og frigjøring av indre spenninger. Vanlige FR-4 underlag dannes ved å lime glassfiberduk og epoksyharpiks. Harpiksen mykner ved oppvarming og krymper ved avkjøling. Asymmetrisk kobberfolie på begge sider forverrer deformasjonen ytterligere.
Keramiske underlag har helt andre egenskaper. De bruker sintrede keramiske grønne plater med høy-temperatur som en base, som viser svært høy elastisitetsmodul og ekstremt lav termisk ekspansjonskoeffisient. Under produksjon festes kobberfolie til den keramiske overflaten via høy-temperatur varmpressing eller direkte kobberbeleggteknologi, noe som oppnår intermolekylær binding i stedet for enkel limbinding. Dette gjør at komposittstrukturen opprettholder dimensjonsstabilitet selv under ekstreme temperaturforhold.
Alumina keramikk: The King of Cost-Effektivitet
Alumina er for tiden det mest brukte keramiske substratmaterialet, som inneholder mellom 75 % og 99,5 % alumina. En høy renhet på 99,5 % resulterer i en jevn og tett overflate med ekstremt lavt dielektrisk tap, noe som gjør den egnet for høyfrekvente kretser.
Den termiske ledningsevnen til alumina er omtrent 24 til 28 W/(m·K), betydelig høyere enn FR-4s 0,3 W/(m·K). Imidlertid kommer den fortsatt til kort i applikasjoner med ultrahøy effekt. Den har rikelig med råvarer, høy mekanisk styrke og utmerket kjemisk stabilitet, noe som gjør den til et godt eksempel på et produkt som balanserer ytelse og kostnader, og har dermed en dominerende posisjon innen mikroelektronikk og kraftmodulfelt.
Aluminiumnitrids høye varmeledningsevne er godt-tilpasset silisiumskiver. Fremveksten av aluminiumnitridkeramikk har løst problemet med utilstrekkelig termisk ledningsevne i alumina, og oppnådd en termisk ledningsevne som overstiger 170 W/(m·K), syv ganger den for alumina og til og med overgå den for metallisk aluminium.
Enda viktigere er at aluminiumnitrids termiske ekspansjonskoeffisient er ekstremt nær den for halvledersilisiumskiver. Når høy-brikker er direkte montert på underlaget, unngår den tilsvarende ekspansjonskoeffisienten effektivt skjærspenning forårsaket av termisk syklus, og forhindrer dermed sponsprekker eller tretthet av loddeforbindelser. Produksjonsprosessen har ekstremt høye krav til oksygeninnholdskontroll; jo lavere oksygenforurensninger, jo sterkere varmeledningsevne.
Høy termisk ledningsevne og toksisitetsbegrensninger for berylliumoksid
Berylliumoksidkeramikk viser eksepsjonell varmeledningsevne, til og med overgåelse av aluminiumnitrid, og når over 250 W/(m·K) ved romtemperatur. Det var en gang det foretrukne materialet i felt med ekstremt strenge krav til varmeavledning.
Imidlertid er berylliumoksidpulver giftig. Hvis støvet som dannes under produksjon og bearbeiding inhaleres, kan det forårsake alvorlige lungesykdommer. Tilsvarende, hvis støvet som genereres under avhending inhaleres, kan det også forårsake alvorlige lungesykdommer. Denne fatale feilen begrenser utviklingen sterkt. Foreløpig brukes det bare i noen svært få spesialiserte militære felt med omfattende beskyttelsestiltak, og også i noen svært få spesialiserte romfartsfelt med omfattende beskyttelsestiltak. Det sivile markedet er i stor grad erstattet av aluminiumnitrid.
Kjernefordelene med keramiske PCB
Den mest åpenbare fordelen med keramiske underlag er deres sterke-strømbærende kapasitet. Eksperimentelle data viser at når en 100A strøm kontinuerlig flyter gjennom et 1 mm tykt 0,3 mm kobbersubstrat, er temperaturøkningen bare rundt 17 grader. Hvis kobbertykkelsen økes til 2 mm, kan temperaturstigningen kontrolleres til innenfor 5 grader.
I tillegg har den utmerkede isolasjonsegenskaper som tåler høy spenning. Denne egenskapen sikrer sikkerheten til utstyr og personell. Fordi den ikke krever organisk lim, er ytelsen ekstremt stabil i miljøer med høy-temperatur og høy-fuktighet. Videre er kobberfolien meget sterk og vil ikke løsne på grunn av drastiske temperaturendringer, noe som gjør dens pålitelighet langt bedre enn vanlige PCB.
Produksjonsalternativer for keramiske PCB
Selv om keramiske underlag viser overlegen ytelse, begrenser deres skjøre natur bruken ved produksjon av store-plater, og prisen er mye høyere enn FR-4. Et aluminiumnitridsubstrat på 100 mm på siden kan koste titalls ganger mer enn en FR-4 av samme størrelse.
Derfor brukes den hovedsakelig i høy-applikasjoner som høy-lysdioder, tenningssystemer for biler, høy-svitsjestrømforsyninger, romfart og militærelektronikk. Å velge et keramisk underlag betyr å ta et valg av ultimat stabilitet og pålitelighet. I faktisk FoU eller liten-batchproduksjon er det ekstremt avgjørende å velge en profesjonell og pålitelig produsent. JEP PCB har vært dypt involvert i industrien i mange år, og har profesjonell keramisk substratbehandlingsevne. Fra prototyping til masseproduksjon kan den gi rask respons og stabil prosessstøtte, og sikre at design med høye-ytelser kan oppnås nøyaktig.
Så, i produktdesignet ditt, vil du prioritere kostnadskontroll, eller vil du velge et keramisk underlag på grunn av dets 5 graders temperaturøkning og enestående pålitelighet og stabilitet? Del gjerne synspunktene dine i kommentarfeltet, lik og del denne artikkelen slik at flere ingeniører kan se dette i-dypende vitenskapelig popularisering.