Perinteisillä FR-4-lasikuitulevyillä on taipumus kehittää "kaaren" muoto uudelleensulatusjuottamisen jälkeen. Tämä on väistämätön seuraus epätasapainosta lämpörasituksen ja materiaalin fysikaalisten ominaisuuksien välillä. Perinteiset piirilevyt kärsivät komponenttien juotosvirheistä ja vääntymisen aiheuttamista laitteiden toimintahäiriöistä. Piirilevytyypistä, joka käyttää keraamia substraattina ja jonka fyysinen stabiilisuus on lähes täydellinen,{5}}on tulossa keskeinen valinta suuritehoisille tai erittäin luotettaville elektronisille laitteille.
Miksi keraamiset alustat eivät väänny?
PCB:n vääntymisen perimmäinen syy on materiaalien lämpölaajenemiskertoimien ja sisäisen jännityksen vapautumisen välinen epäsuhta. Tavalliset FR-4-substraatit muodostetaan yhdistämällä lasikuitukangas ja epoksihartsi. Hartsi pehmenee kuumennettaessa ja kutistuu jäähtyessään. Epäsymmetrinen kuparikalvo molemmin puolin pahentaa muodonmuutosta entisestään.
Keraamisilla alustoilla on täysin erilaiset ominaisuudet. Ne käyttävät pohjana korkean lämpötilan-sintrattuja keraamisia viherlevyjä, joilla on erittäin korkea kimmokerroin ja erittäin alhainen lämpölaajenemiskerroin. Valmistuksen aikana kuparifolio kiinnitetään keraamiseen pintaan korkean lämpötilan kuumapuristus- tai suoralla kuparipinnoitustekniikalla, jolloin saadaan aikaan molekyylien välinen sidos yksinkertaisen liimauksen sijaan. Tämän ansiosta komposiittirakenne säilyttää mittavakauden jopa äärimmäisissä lämpötiloissa.
Alumiinioksidikeramiikka: Kustannus-tehokkuuden kuningas
Alumiinioksidi on tällä hetkellä eniten käytetty keraaminen substraattimateriaali, joka sisältää 75–99,5 % alumiinioksidia. Korkea 99,5 %:n puhtaus johtaa sileään ja tiheään pintaan, jossa on erittäin pieni dielektrinen häviö, joten se sopii korkeataajuisiin piireihin.
Alumiinioksidin lämmönjohtavuus on noin 24-28 W/(m·K), mikä on huomattavasti korkeampi kuin FR-4:n 0,3 W/(m·K). Se on kuitenkin edelleen heikko erittäin suuritehoisissa sovelluksissa. Siinä on runsaasti raaka-aineita, korkea mekaaninen lujuus ja erinomainen kemiallinen stabiilisuus, mikä tekee siitä erinomaisen esimerkin tuotteesta, joka tasapainottaa suorituskykyä ja kustannuksia ja jolla on siten hallitseva asema mikroelektroniikan ja tehomoduulien alalla.
Alumiininitridin korkea lämmönjohtavuus{0}}sovitetaan hyvin piikiekkojen kanssa. Alumiininitridikeramiikan ilmaantuminen on ratkaissut alumiinioksidin riittämättömän lämmönjohtavuuden ongelman ja saavuttanut yli 170 W/(m·K) lämmönjohtavuuden, joka on seitsemän kertaa alumiinioksidin johtavuus ja jopa ylittää metallisen alumiinin.
Vielä tärkeämpää on, että alumiininitridin lämpölaajenemiskerroin on erittäin lähellä puolijohteisten piikiekkojen lämpölaajenemiskerrointa. Kun suuritehoiset -lastut asennetaan suoraan alustalle, samanlainen laajenemiskerroin välttää tehokkaasti lämpökierron aiheuttaman leikkausjännityksen, mikä estää lastujen halkeilua tai juotosliitoksen väsymistä. Sen valmistusprosessilla on erittäin korkeat vaatimukset happipitoisuuden säätelylle; mitä vähemmän happiepäpuhtauksia on, sitä vahvempi lämmönjohtavuus.
Berylliumoksidin korkean lämmönjohtavuuden ja toksisuuden rajoitukset
Berylliumoksidikeraamilla on poikkeuksellinen lämmönjohtavuus, joka ylittää jopa alumiininitridin ja saavuttaa yli 250 W/(m·K) huoneenlämpötilassa. Se oli aikoinaan suosituin materiaali alueilla, joilla on erittäin tiukat lämmönpoistovaatimukset.
Berylliumoksidijauhe on kuitenkin myrkyllistä. Tuotannon ja käsittelyn aikana syntyvän pölyn hengittäminen voi aiheuttaa vakavia keuhkosairauksia. Samoin hävittämisen yhteydessä syntyneen pölyn hengittäminen voi aiheuttaa vakavia keuhkosairauksia. Tämä kohtalokas virhe rajoittaa vakavasti sen kehitystä. Tällä hetkellä sitä käytetään vain harvoilla erikoistuneilla sotilasaloilla, joissa on kattavat suojatoimenpiteet, ja myös hyvin harvoilla erikoistuneilla ilmailu- ja avaruusaloilla, joissa on kattavat suojatoimenpiteet. Siviilimarkkinat on suurelta osin korvattu alumiininitridillä.
Keraamisten piirilevyjen tärkeimmät edut
Keraamisten alustojen ilmeisin etu on niiden vahva virran{0}}kantokyky. Kokeelliset tiedot osoittavat, että kun 100 A virta virtaa jatkuvasti 1 mm paksun 0,3 mm kuparialustan läpi, lämpötilan nousu on vain noin 17 astetta. Jos kuparin paksuus lisätään 2 mm:iin, lämpötilan nousua voidaan säätää 5 asteen tarkkuudella.
Lisäksi sillä on erinomaiset eristysominaisuudet, jotka kestävät korkeaa jännitettä. Tämä ominaisuus varmistaa laitteiden ja henkilökunnan turvallisuuden. Koska se ei vaadi orgaanisia liimoja, sen suorituskyky on erittäin vakaa korkeassa-lämpötiloissa ja korkeassa{3}}kosteudessa. Lisäksi kuparifolion tarttuvuus on erittäin vahva, eikä se irtoa rajuista lämpötilamuutoksista, mikä tekee sen luotettavuudesta huomattavasti tavallista PCB:tä parempi.
Keraamisten piirilevyjen valmistusvaihtoehdot
Vaikka keraamisilla alustoilla on erinomainen suorituskyky, niiden herkkä luonne rajoittaa niiden käyttöä suurten{0}}pinta-alan levyjen valmistuksessa, ja niiden hinta on paljon korkeampi kuin FR-4:n. 100 mm:n sivusta valmistettu alumiininitridisubstraatti voi maksaa kymmeniä kertoja enemmän kuin samankokoinen FR-4.
Siksi sitä käytetään pääasiassa korkealaatuisissa{0}}sovelluksissa, kuten suuritehoisissa-LED-valoissa, autojen sytytysjärjestelmissä, suurtaajuuksisissa kytkentävirtalähteissä, ilmailu- ja sotilaselektroniikassa. Keraamisen alustan valinta merkitsee äärimmäisen vakauden ja luotettavuuden valintaa. Varsinaisessa T&K-tuotannossa tai pienissä{5}}erätuotannossa ammattimaisen ja luotettavan valmistajan valitseminen on erittäin tärkeää. JEP PCB on ollut syvästi mukana teollisuudessa useiden vuosien ajan, ja sillä on ammattimaiset keraamisten substraattien käsittelyominaisuudet. Prototyyppien valmistuksesta massatuotantoon se voi tarjota nopean reagoinnin ja vakaan prosessituen, mikä varmistaa, että korkean suorituskyvyn{8}}suunnittelusi voidaan saavuttaa tarkasti.
Joten asetatko tuotesuunnittelussasi etusijalle kustannusten hallinnan vai valitsetko keraamisen alustan sen 5 asteen lämpötilan nousun ja vertaansa vailla olevan luotettavuuden ja vakauden vuoksi? Voit vapaasti jakaa näkemyksesi kommenttiosiossa, tykätä ja jakaa tästä artikkelista, jotta useammat insinöörit näkevät tämän-syvän tieteen popularisoinnin.