Traditionelle FR-4 glasfiberplader har tendens til at udvikle en "bue"-form efter reflowlodning. Dette er et uundgåeligt resultat af ubalancen mellem termisk stress og materialets fysiske egenskaber. Traditionelle PCB'er lider af komponentloddefejl og udstyrsfejl på grund af vridning. En type printkort, der bruger keramik som substrat, med sin næsten -perfekte fysiske stabilitet, er ved at blive kernevalget for elektroniske enheder med høj-effekt eller høj pålidelighed.
Hvorfor deformeres keramiske underlag ikke?
Grundårsagen til PCB-vridning ligger i misforholdet mellem materialernes termiske udvidelseskoefficienter og frigivelsen af indre spændinger. Almindelige FR-4-substrater dannes ved at lime glasfiberdug og epoxyharpiks. Harpiksen blødgør ved opvarmning og krymper ved afkøling. Asymmetrisk kobberfolie på begge sider forværrer deformationen yderligere.
Keramiske underlag har helt andre egenskaber. De bruger sintrede keramiske grønne plader med høj-temperatur som base, der udviser et meget højt elasticitetsmodul og ekstremt lav termisk udvidelseskoefficient. Under fremstilling fastgøres kobberfolie til den keramiske overflade via høj-temperatur varmpresning eller direkte kobberbelægningsteknologi, hvilket opnår intermolekylær binding i stedet for simpel klæbende binding. Dette gør det muligt for kompositstrukturen at opretholde dimensionsstabilitet selv under ekstreme temperaturforhold.
Alumina-keramik: The King of Cost-Effektivitet
Aluminiumoxid er i øjeblikket det mest udbredte keramiske substratmateriale, der indeholder mellem 75 % og 99,5 % aluminiumoxid. En høj renhed på 99,5 % resulterer i en glat og tæt overflade med ekstremt lavt dielektrisk tab, hvilket gør den velegnet til højfrekvente-kredsløb.
Den termiske ledningsevne af aluminiumoxid er ca. 24 til 28 W/(m·K), betydeligt højere end FR-4's 0,3 W/(m·K). Det kommer dog stadig til kort i applikationer med ultrahøj effekt. Det kan prale af rigelige råmaterialer, høj mekanisk styrke og fremragende kemisk stabilitet, hvilket gør det til et glimrende eksempel på et produkt, der balancerer ydeevne og omkostninger og dermed har en dominerende stilling inden for mikroelektronik og kraftmodulområder.
Aluminiumnitrids høje termiske ledningsevne er godt-matchet med siliciumwafers. Fremkomsten af aluminiumnitridkeramik har løst problemet med utilstrækkelig termisk ledningsevne i aluminiumoxid, hvilket har opnået en termisk ledningsevne på over 170 W/(m·K), syv gange så stor som aluminiumoxid og endda overgået af metallisk aluminium.
Endnu vigtigere er aluminiumnitrids termiske udvidelseskoefficient ekstremt tæt på halvledersiliciumwafers. Når high-chips er monteret direkte på underlaget, undgår den tilsvarende ekspansionskoefficient effektivt forskydningsspændinger forårsaget af termisk cykling og forhindrer således spånrevner eller træthed i loddesamlinger. Dens fremstillingsproces har ekstremt høje krav til iltindholdskontrol; jo lavere ilturenheder, jo stærkere varmeledningsevne.
Høj termisk ledningsevne og toksicitetsbegrænsninger af berylliumoxid
Keramik af berylliumoxid udviser enestående termisk ledningsevne, der endda overgår den for aluminiumnitrid og når over 250 W/(m·K) ved stuetemperatur. Det var engang det foretrukne materiale i marker med ekstremt strenge krav til varmeafledning.
Imidlertid er berylliumoxidpulver giftigt. Hvis det støv, der dannes under produktion og forarbejdning, indåndes, kan det forårsage alvorlige lungesygdomme. På samme måde, hvis støvet, der dannes under bortskaffelsen, indåndes, kan det også forårsage alvorlige lungesygdomme. Denne fatale fejl begrænser dens udvikling alvorligt. I øjeblikket bruges det kun i meget få specialiserede militære områder med omfattende beskyttelsesforanstaltninger, og også i meget få specialiserede rumfartsfelter med omfattende beskyttelsesforanstaltninger. Det civile marked er stort set blevet erstattet af aluminiumnitrid.
Keramiske PCB'ers kernefordele
Den mest åbenlyse fordel ved keramiske substrater er deres stærke-strømbærende kapacitet. Eksperimentelle data viser, at når en 100A strøm kontinuerligt strømmer gennem et 1 mm tykt 0,3 mm kobbersubstrat, er temperaturstigningen kun omkring 17 grader. Hvis kobbertykkelsen øges til 2 mm, kan temperaturstigningen styres til inden for 5 grader.
Derudover har den fremragende isoleringsegenskaber, der kan modstå højspænding. Denne ejendom sikrer sikkerheden for udstyr og personale. Fordi den ikke kræver organiske klæbemidler, er dens ydeevne ekstremt stabil i miljøer med høj-temperatur og høj-fugtighed. Desuden er kobberfoliens vedhæftning meget stærk og vil ikke løsne sig på grund af drastiske temperaturændringer, hvilket gør dens pålidelighed langt overlegen i forhold til almindelige PCB'er.
Fremstillingsmuligheder for keramiske PCB'er
Selvom keramiske substrater udviser overlegen ydeevne, begrænser deres skrøbelige natur deres brug ved fremstilling af store-plader, og deres pris er meget højere end FR-4. Et 100 mm-sidet aluminiumnitridsubstrat kan koste titusinder mere end en FR-4 af samme størrelse.
Derfor bruges det hovedsageligt i avancerede-applikationer såsom høj-LED'er, tændingssystemer til biler, højfrekvente strømforsyninger, rumfart og militærelektronik. At vælge et keramisk underlag betyder, at man træffer et valg af ultimativ stabilitet og pålidelighed. I egentlig R&D eller små-batchproduktion er det ekstremt vigtigt at vælge en professionel og pålidelig producent. JEP PCB har været dybt involveret i industrien i mange år og besidder professionelle keramiske substratbehandlingsevner. Fra prototyping til masseproduktion kan den give hurtig respons og stabil processupport, hvilket sikrer, at dit højtydende design kan opnås nøjagtigt.
Så vil du i dit produktdesign prioritere omkostningskontrol, eller vil du vælge et keramisk substrat på grund af dets 5 graders temperaturstigning og enestående pålidelighed og stabilitet? Du er velkommen til at dele dine synspunkter i kommentarsektionen, like og dele denne artikel, så flere ingeniører kan se dette i-dybdegående videnskabelig popularisering.