Tradicionalne FR-4 ploče od stakloplastike imaju tendenciju razvijanja "lučnog" oblika nakon lemljenja reflowom. To je neizbježan rezultat neravnoteže između toplinskog naprezanja i fizičkih svojstava materijala. Tradicionalni PCB-ovi pate od grešaka u lemljenju komponenti i kvarova opreme zbog savijanja. Tip PCB-a koji koristi keramiku kao supstrat, sa svojom gotovo-savršenom fizičkom stabilnošću, postaje osnovni izbor za-elektroničke uređaje visoke snage ili visoke pouzdanosti.
Zašto se keramičke podloge ne savijaju?
Glavni uzrok savijanja PCB-a leži u neusklađenosti između koeficijenata toplinske ekspanzije materijala i oslobađanja unutarnjeg naprezanja. Uobičajene FR-4 podloge formiraju se lijepljenjem stakloplastike i epoksidne smole. Smola se zagrijavanjem omekšava, a hlađenjem skuplja. Asimetrična bakrena folija s obje strane dodatno pogoršava deformaciju.
Keramičke podloge imaju potpuno drugačije karakteristike. Za podlogu koriste-zelene keramičke ploče sinterirane na visokoj temperaturi, koje pokazuju vrlo visok modul elastičnosti i iznimno nizak koeficijent toplinske ekspanzije. Tijekom proizvodnje, bakrena folija pričvršćena je na keramičku površinu pomoću visoko{3}}temperaturnog vrućeg prešanja ili tehnologije izravnog bakrenja, čime se postiže međumolekularno spajanje umjesto jednostavnog lijepljenja. To kompozitnoj strukturi omogućuje održavanje dimenzijske stabilnosti čak i pod ekstremnim temperaturnim uvjetima.
Aluminijeva keramika: Kralj isplativosti-
Glinica je trenutno najrašireniji materijal za keramičku podlogu, koja sadrži između 75% i 99,5% glinice. Visoka čistoća od 99,5% rezultira glatkom i gustom površinom s iznimno niskim gubitkom dielektrika, što ga čini prikladnim za -visokofrekventne krugove.
Toplinska vodljivost glinice je približno 24 do 28 W/(m·K), znatno viša od FR-4 0,3 W/(m·K). Međutim, još uvijek ne uspijeva u primjenama ultra velike snage. Može se pohvaliti obiljem sirovina, visokom mehaničkom čvrstoćom i izvrsnom kemijskom stabilnošću, što ga čini vrhunskim primjerom proizvoda koji uravnotežuje performanse i cijenu, čime drži dominantnu poziciju u poljima mikroelektronike i energetskih modula.
Visoka toplinska vodljivost aluminijevog nitrida dobro-je usklađena sa silicijskim pločicama. Pojava aluminijeve nitridne keramike riješila je problem nedovoljne toplinske vodljivosti glinice, postigavši toplinsku vodljivost veću od 170 W/(m·K), sedam puta veću od glinice, pa čak i nadmašujući metalni aluminij.
Što je još važnije, koeficijent toplinske ekspanzije aluminijevog nitrida izuzetno je blizu koeficijenta poluvodičkih silicijskih pločica. Kada se čipovi velike -snage izravno montiraju na podlogu, sličan koeficijent ekspanzije učinkovito izbjegava smično naprezanje uzrokovano toplinskim ciklusima, čime se sprječava pucanje čipa ili zamor lemljenih spojeva. Njegov proizvodni proces ima izuzetno visoke zahtjeve za kontrolom sadržaja kisika; što je manje nečistoća kisika, to je toplinska vodljivost jača.
Visoka toplinska vodljivost i ograničenja toksičnosti berilijevog oksida
Keramika od berilij oksida pokazuje iznimnu toplinsku vodljivost, čak nadmašujući onu od aluminijeva nitrida, dosežući preko 250 W/(m·K) na sobnoj temperaturi. Nekad je bio preferirani materijal u poljima s iznimno strogim zahtjevima za rasipanje topline.
Međutim, prah berilijevog oksida je otrovan. Udisanje prašine koja nastaje tijekom proizvodnje i prerade može uzrokovati ozbiljne bolesti pluća. Slično tome, ako se prašina nastala tijekom odlaganja udiše, također može uzrokovati ozbiljne bolesti pluća. Ova fatalna mana ozbiljno ograničava njegov razvoj. Trenutno se koristi samo u vrlo malom broju specijaliziranih vojnih područja sa sveobuhvatnim zaštitnim mjerama, te također u vrlo malom broju specijaliziranih područja zrakoplovstva sa sveobuhvatnim zaštitnim mjerama. Civilno tržište uvelike je zamijenjeno aluminijevim nitridom.
Osnovne prednosti keramičkih PCB ploča
Najočitija prednost keramičkih podloga je njihova snažna nosivost-struje. Eksperimentalni podaci pokazuju da kada struja od 100 A neprekidno teče kroz bakrenu podlogu debljine 1 mm debljine 0,3 mm, porast temperature je samo oko 17 stupnjeva. Ako se debljina bakra poveća na 2 mm, porast temperature može se kontrolirati unutar 5 stupnjeva.
Osim toga, ima izvrsna izolacijska svojstva koja mogu izdržati visoki napon. Ovo svojstvo osigurava sigurnost opreme i osoblja. Budući da ne zahtijeva organska ljepila, njegova je izvedba iznimno stabilna u okruženjima visoke-temperature i visoke{3}}vlažnosti. Nadalje, prianjanje bakrene folije je vrlo snažno i neće se odvojiti zbog drastičnih promjena temperature, što njenu pouzdanost čini daleko superiornijom u odnosu na obične PCB-ove.
Mogućnosti proizvodnje za keramičke PCB-ove
Iako keramičke podloge pokazuju vrhunsku izvedbu, njihova krhka priroda ograničava njihovu upotrebu u proizvodnji-ploča velikih površina, a cijena im je puno viša od FR-4. Podloga od aluminijskog nitrida od 100 mm može koštati desetke puta više od FR-4 iste veličine.
Stoga se uglavnom koristi-u vrhunskim aplikacijama kao što su LED diode velike-snage, automobilski sustavi paljenja, visoko-frekventni prekidački izvori napajanja, zrakoplovna i vojna elektronika. Odabir keramičke podloge znači odabir konačne stabilnosti i pouzdanosti. U stvarnom istraživanju i razvoju ili proizvodnji malih-serija, odabir profesionalnog i pouzdanog proizvođača iznimno je važan. JEP PCB je duboko uključen u industriju dugi niz godina, posjedujući profesionalne mogućnosti obrade keramičkih supstrata. Od izrade prototipa do masovne proizvodnje, može pružiti brz odgovor i stabilnu podršku procesu, osiguravajući da se vaš dizajn visokih-učinkovitosti može točno postići.
Dakle, u dizajnu vašeg proizvoda, hoćete li prioritet dati kontroli troškova ili ćete odabrati keramičku podlogu zbog porasta temperature od 5 stupnjeva i neusporedive pouzdanosti i stabilnosti? Slobodno podijelite svoje stavove u odjeljku s komentarima, lajkajte i podijelite ovaj članak kako bi više inženjera moglo vidjeti ovu-dubinsku popularizaciju znanosti.