Tradičné sklolaminátové dosky FR-4 majú tendenciu vytvárať „oblúkový“ tvar po spájkovaní pretavením. Je to nevyhnutný dôsledok nerovnováhy medzi tepelným namáhaním a fyzikálnymi vlastnosťami materiálu. Tradičné dosky plošných spojov trpia chybami pri spájkovaní komponentov a poruchami zariadenia v dôsledku deformácie. Typ dosky plošných spojov, ktorá ako substrát používa keramiku, sa so svojou takmer-dokonalou fyzikálnou stabilitou stáva základnou voľbou pre-výkonné alebo vysoko spoľahlivé elektronické zariadenia.
Prečo sa keramické substráty nekrútia?
Hlavná príčina deformácie PCB spočíva v nesúlade medzi koeficientmi tepelnej rozťažnosti materiálov a uvoľnením vnútorného napätia. Bežné substráty FR-4 sa vytvárajú spojením tkaniny zo sklenených vlákien a epoxidovej živice. Živica pri zahriatí mäkne a pri ochladzovaní sa zmršťuje. Asymetrická medená fólia na oboch stranách ešte viac zhoršuje deformáciu.
Keramické substráty majú úplne iné vlastnosti. Ako základ používajú vysokoteplotné spekané keramické zelené dosky, ktoré vykazujú veľmi vysoký modul pružnosti a extrémne nízky koeficient tepelnej rozťažnosti. Počas výroby je medená fólia pripevnená ku keramickému povrchu pomocou vysokoteplotného lisovania za horúca alebo technológie priameho pokovovania medi, čím sa dosiahne skôr intermolekulárne spojenie ako jednoduché lepenie. To umožňuje kompozitnej štruktúre zachovať rozmerovú stabilitu aj pri extrémnych teplotných podmienkach.
Keramika z oxidu hlinitého: Kráľ efektívnosti nákladov-
Oxid hlinitý je v súčasnosti najpoužívanejším keramickým substrátom, ktorý obsahuje 75 % až 99,5 % oxidu hlinitého. Vysoká čistota 99,5 % má za následok hladký a hustý povrch s extrémne nízkou dielektrickou stratou, vďaka čomu je vhodný pre vysoko-frekvenčné obvody.
Tepelná vodivosť oxidu hlinitého je približne 24 až 28 W/(m·K), čo je výrazne vyššia hodnota ako u FR-4 0,3 W/(m·K). Stále však zaostáva v aplikáciách s ultra vysokým výkonom. Pýši sa bohatým množstvom surovín, vysokou mechanickou pevnosťou a vynikajúcou chemickou stabilitou, čo z neho robí ukážkový príklad produktu, ktorý vyvažuje výkon a náklady, a tak má dominantné postavenie v oblasti mikroelektroniky a výkonových modulov.
Vysoká tepelná vodivosť nitridu hliníka je vhodná-na kremíkové doštičky. Vznik keramiky z nitridu hliníka vyriešil problém nedostatočnej tepelnej vodivosti oxidu hlinitého, pričom sa dosiahla tepelná vodivosť presahujúca 170 W/(m·K), čo je sedemkrát viac ako u oxidu hlinitého a dokonca prevyšuje tepelnú vodivosť kovového hliníka.
Ešte dôležitejšie je, že koeficient tepelnej rozťažnosti nitridu hliníka je extrémne blízky koeficientu polovodičových kremíkových doštičiek. Keď sú čipy s vysokým{1}}výkonom namontované priamo na substrát, podobný koeficient rozťažnosti účinne zabraňuje šmykovému namáhaniu spôsobenému tepelným cyklovaním, čím zabraňuje praskaniu čipov alebo únave spájkovaného spoja. Jeho výrobný proces má extrémne vysoké požiadavky na kontrolu obsahu kyslíka; čím nižšie sú kyslíkové nečistoty, tým silnejšia je tepelná vodivosť.
Vysoká tepelná vodivosť a limity toxicity oxidu berýlinatého
Keramika s oxidom berýlium vykazuje výnimočnú tepelnú vodivosť, dokonca prevyšuje tepelnú vodivosť nitridu hliníka, pričom dosahuje viac ako 250 W/(m·K) pri izbovej teplote. Kedysi to bol preferovaný materiál v oblastiach s extrémne prísnymi požiadavkami na odvod tepla.
Prášok oxidu berýlia je však toxický. Ak sa prach vznikajúci pri výrobe a spracovaní vdýchne, môže spôsobiť vážne pľúcne ochorenia. Podobne, ak sa prach vznikajúci pri likvidácii vdýchne, môže spôsobiť aj vážne pľúcne ochorenia. Táto fatálna chyba výrazne obmedzuje jeho vývoj. V súčasnosti sa používa len vo veľmi malom počte špecializovaných vojenských oblastí s komplexnými ochrannými opatreniami a tiež vo veľmi malom počte špecializovaných leteckých odborov s komplexnými ochrannými opatreniami. Civilný trh bol z veľkej časti nahradený nitridom hliníka.
Hlavné výhody keramických PCB
Najviditeľnejšou výhodou keramických substrátov je ich silná prúdová-kapacita. Experimentálne údaje ukazujú, že keď prúd 100 A nepretržite preteká cez 1 mm hrubý 0,3 mm medený substrát, nárast teploty je len okolo 17 stupňov. Ak sa hrúbka medi zväčší na 2 mm, zvýšenie teploty možno regulovať v rozmedzí 5 stupňov.
Okrem toho má vynikajúce izolačné vlastnosti, ktoré znesú vysoké napätie. Táto vlastnosť zaisťuje bezpečnosť zariadenia a personálu. Keďže nevyžaduje organické lepidlá, jeho výkon je mimoriadne stabilný v prostredí s vysokou-teplotou a vysokou-vlhkosťou. Okrem toho je priľnavosť medenej fólie veľmi silná a neodlepí sa v dôsledku drastických zmien teploty, vďaka čomu je jej spoľahlivosť oveľa lepšia ako bežné dosky plošných spojov.
Výrobné možnosti pre keramické PCB
Aj keď keramické substráty vykazujú vynikajúci výkon, ich krehká povaha obmedzuje ich použitie pri výrobe veľkoplošných dosiek-a ich cena je oveľa vyššia ako u FR-4. 100 mm bočný substrát z nitridu hliníka môže stáť desiatky krát viac ako FR-4 rovnakej veľkosti.
Preto sa používa najmä vo špičkových{0}}aplikáciách, ako sú vysokovýkonné{1} diódy LED, automobilové zapaľovacie systémy, vysokofrekvenčné spínané napájacie zdroje, letectvo a vojenská elektronika. Výber keramického substrátu znamená výber maximálnej stability a spoľahlivosti. V skutočnom výskume a vývoji alebo v malosériovej-výrobe je výber profesionálneho a spoľahlivého výrobcu mimoriadne dôležitý. JEP PCB sa už mnoho rokov hlboko angažuje v tomto odvetví a disponuje profesionálnymi schopnosťami spracovania keramických substrátov. Od prototypovania až po sériovú výrobu môže poskytnúť rýchlu odozvu a stabilnú podporu procesov, čím zaistí, že váš vysoko{8}}výkonný dizajn bude možné presne dosiahnuť.
Takže pri návrhu vášho produktu uprednostníte kontrolu nákladov alebo si vyberiete keramický substrát kvôli jeho 5 stupňovému nárastu teploty a bezkonkurenčnej spoľahlivosti a stabilite? Neváhajte a podeľte sa o svoje názory v sekcii komentárov, lajkujte a zdieľajte tento článok, aby si to viacerí inžinieri mohli pozrieť v -hĺbkovej popularizácii vedy.