Традиционните FR-4 плочи от фибростъкло са склонни да развиват форма на "арка" след запояване с претопяване. Това е неизбежен резултат от дисбаланса между топлинния стрес и физическите свойства на материала. Традиционните печатни платки страдат от дефекти при запояване на компоненти и неизправности на оборудването поради изкривяване. Тип печатна платка, използваща керамика като своя подложка, с почти-перфектната си физическа стабилност, се превръща в основен избор за-мощни или високонадеждни електронни устройства.
Защо керамичните субстрати не се деформират?
Основната причина за изкривяването на PCB се крие в несъответствието между коефициентите на топлинно разширение на материалите и освобождаването на вътрешно напрежение. Обикновените FR-4 субстрати се образуват чрез свързване на плат от фибростъкло и епоксидна смола. Смолата омеква при нагряване и се свива при охлаждане. Асиметричното медно фолио от двете страни допълнително засилва деформацията.
Керамичните субстрати имат напълно различни характеристики. Те използват високотемпературни синтеровани керамични зелени листове като основа, показващи много висок модул на еластичност и изключително нисък коефициент на топлинно разширение. По време на производството медното фолио се закрепва към керамичната повърхност чрез високо{3}}температурно горещо пресоване или технология за директно медно покритие, като се постига междумолекулно свързване, а не просто свързване с лепило. Това позволява на композитната структура да поддържа стабилност на размерите дори при екстремни температурни условия.
Керамика от алуминиев оксид: Кралят на разход-ефективността
Понастоящем алуминиевият оксид е най-широко използваният материал за керамични субстрати, съдържащ между 75% и 99,5% алуминиев оксид. Високата чистота от 99,5% води до гладка и плътна повърхност с изключително ниски диелектрични загуби, което го прави подходящ за високо-честотни вериги.
Топлинната проводимост на двуалуминиевия оксид е приблизително 24 до 28 W/(m·K), значително по-висока от 0,3 W/(m·K) на FR-4. Въпреки това, той все още не достига в приложения с ултра висока мощност. Той може да се похвали с изобилие от суровини, висока механична якост и отлична химическа стабилност, което го прави отличен пример за продукт, който балансира производителност и цена, като по този начин държи доминираща позиция в областта на микроелектрониката и захранващия модул.
Високата топлопроводимост на алуминиевия нитрид е добре -съвпадаща със силициевите пластини. Появата на керамика от алуминиев нитрид реши проблема с недостатъчната топлопроводимост на алуминиевия оксид, постигайки топлопроводимост над 170 W/(m·K), седем пъти по-висока от тази на алуминиевия оксид и дори надминаваща тази на металния алуминий.
По-важното е, че коефициентът на термично разширение на алуминиевия нитрид е изключително близък до този на полупроводниковите силициеви пластини. Когато високо{1}}мощните чипове са директно монтирани върху субстрата, подобен коефициент на разширение ефективно избягва напрежението на срязване, причинено от термични цикли, като по този начин предотвратява напукването на чипа или умората на спойката. Производственият му процес има изключително високи изисквания за контрол на съдържанието на кислород; колкото по-ниски са кислородните примеси, толкова по-силна е топлопроводимостта.
Висока топлопроводимост и ограничения на токсичността на берилиевия оксид
Керамиката от берилиев оксид показва изключителна топлопроводимост, дори надминаваща тази на алуминиевия нитрид, достигайки над 250 W/(m·K) при стайна температура. Някога е бил предпочитаният материал в области с изключително строги изисквания за разсейване на топлината.
Прахът от берилиев оксид обаче е токсичен. Ако се вдиша прахът, генериран по време на производството и преработката, той може да причини сериозни белодробни заболявания. По същия начин, ако се вдиша прахът, генериран по време на изхвърлянето, той също може да причини сериозни белодробни заболявания. Този фатален недостатък силно ограничава развитието му. Понастоящем той се използва само в много малко специализирани военни области с всеобхватни защитни мерки, а също и в много малко специализирани аерокосмически области с всеобхватни защитни мерки. Гражданският пазар до голяма степен е заменен от алуминиев нитрид.
Основните предимства на керамичните печатни платки
Най-очевидното предимство на керамичните субстрати е тяхната силна{0}}носеща способност. Експерименталните данни показват, че когато ток от 100 A непрекъснато протича през меден субстрат с дебелина 1 мм и 0,3 мм, повишаването на температурата е само около 17 градуса. Ако дебелината на медта се увеличи до 2 мм, повишаването на температурата може да се контролира до 5 градуса.
В допълнение, той има отлични изолационни свойства, които могат да издържат на високо напрежение. Това свойство гарантира безопасността на оборудването и персонала. Тъй като не изисква органични лепила, работата му е изключително стабилна в среда с висока-температура и висока{3}}влажност. Освен това адхезията на медното фолио е много силна и няма да се отдели поради драстични температурни промени, което прави надеждността му много по-добра от обикновените печатни платки.
Опции за производство на керамични печатни платки
Въпреки че керамичните субстрати показват превъзходна производителност, тяхната крехка природа ограничава употребата им при производството на плоскости с голяма-площ и цената им е много по-висока от FR-4. Страничен 100 мм субстрат от алуминиев нитрид може да струва десетки пъти повече от FR-4 със същия размер.
Поради това се използва главно в-приложения от висок клас, като високо-мощни светодиоди, автомобилни системи за запалване, високо-честотни превключващи захранвания, авиационна и военна електроника. Изборът на керамичен субстрат означава да направите избор на максимална стабилност и надеждност. При реално научноизследователска и развойна дейност или производство на малки-серии, изборът на професионален и надежден производител е изключително важен. JEP PCB е дълбоко ангажиран в индустрията от много години, притежавайки професионални възможности за обработка на керамични субстрати. От прототипиране до масово производство, той може да осигури бърза реакция и стабилна поддръжка на процеса, като гарантира, че вашият дизайн с висока-производителност може да бъде точно постигнат.
И така, при проектирането на вашия продукт, ще дадете ли приоритет на контрола на разходите или ще изберете керамичен субстрат заради повишаването на температурата от 5 градуса и несравнимата надеждност и стабилност? Чувствайте се свободни да споделите вижданията си в секцията за коментари, харесайте и споделете тази статия, така че повече инженери да могат да видят това-задълбочено популяризиране на науката.