Tradicinės FR-4 stiklo pluošto plokštės po pakartotinio litavimo įgauna „arkos“ formą. Tai neišvengiama šiluminio įtempio ir medžiagos fizinių savybių disbalanso rezultatas. Tradiciniai PCB kenčia nuo komponentų litavimo defektų ir įrangos gedimų dėl deformacijos. PCB tipas, kurio substratas yra keramika ir kurio beveik tobulas fizinis stabilumas, tampa pagrindiniu didelės-galios arba didelio patikimumo elektroninių prietaisų pasirinkimu.
Kodėl keraminiai pagrindai nesikreipia?
Pagrindinė PCB deformacijos priežastis yra medžiagų šiluminio plėtimosi koeficientų ir vidinio įtempio išsiskyrimo neatitikimas. Įprasti FR-4 substratai susidaro suklijuojant stiklo pluošto audinį ir epoksidinę dervą. Kaitinant derva suminkštėja, o vėsinant – susitraukia. Asimetriška vario folija iš abiejų pusių dar labiau sustiprina deformaciją.
Keraminiai pagrindai turi visiškai skirtingas savybes. Kaip pagrindą jie naudoja aukštoje temperatūroje sukepintus keraminius žalius lakštus, pasižyminčius labai dideliu elastingumo moduliu ir itin mažu šiluminio plėtimosi koeficientu. Gaminant vario folija pritvirtinama prie keraminio paviršiaus naudojant aukštos temperatūros karšto presavimo arba tiesioginio vario dengimo technologiją, o ne paprastas klijavimas, o tarpmolekulinis sujungimas. Tai leidžia kompozitinei struktūrai išlaikyti matmenų stabilumą net esant ekstremalioms temperatūros sąlygoms.
Aliuminio oksido keramika: kaštų{0}}efektyvumo karalius
Šiuo metu aliuminio oksidas yra plačiausiai naudojama keramikos substrato medžiaga, kurioje yra nuo 75% iki 99,5% aliuminio oksido. Didelis 99,5 % grynumas užtikrina lygų ir tankų paviršių su itin mažais dielektriniais nuostoliais, todėl tinka aukšto -dažnio grandinėms.
Aliuminio oksido šilumos laidumas yra maždaug 24–28 W/(m·K), žymiai didesnis nei FR-4 0,3 W/(m·K). Tačiau jis vis tiek nepasiekia itin didelės galios. Jis gali pasigirti gausiu žaliavų kiekiu, dideliu mechaniniu stiprumu ir puikiu cheminiu stabilumu, todėl tai yra puikus gaminio, subalansuojančio našumą ir kainą, pavyzdžiu ir taip užima dominuojančią padėtį mikroelektronikos ir galios modulių srityse.
Didelis aliuminio nitrido šilumos laidumas{0}}gerai priderinamas prie silicio plokštelių. Aliuminio nitrido keramikos atsiradimas išsprendė nepakankamo aliuminio oksido šilumos laidumo problemą, todėl šilumos laidumas viršija 170 W/(m·K), septynis kartus didesnis nei aliuminio oksido ir netgi pranoksta metalinio aliuminio.
Dar svarbiau, kad aliuminio nitrido šiluminio plėtimosi koeficientas yra labai artimas puslaidininkinių silicio plokštelių koeficientui. Kai didelės galios lustai montuojami tiesiai ant pagrindo, panašus plėtimosi koeficientas veiksmingai išvengia šlyties įtempių, atsirandančių dėl šiluminio ciklo, taip užkertant kelią drožlių įtrūkimams ar lydmetalio nuovargiui. Jo gamybos procesas kelia itin aukštus reikalavimus deguonies kiekio kontrolei; kuo mažiau deguonies priemaišų, tuo stipresnis šilumos laidumas.
Didelis berilio oksido šilumos laidumo ir toksiškumo apribojimai
Berilio oksido keramika pasižymi išskirtiniu šilumos laidumu, netgi pranokstančiu aliuminio nitrido, kambario temperatūroje pasiekiantį daugiau nei 250 W/(m·K). Kadaise tai buvo pageidaujama medžiaga laukuose, kuriems keliami itin griežti šilumos išsklaidymo reikalavimai.
Tačiau berilio oksido milteliai yra toksiški. Įkvėpus gamybos ir perdirbimo metu susidarančių dulkių, tai gali sukelti rimtų plaučių ligų. Panašiai, jei šalinimo metu susidariusios dulkės yra įkvėptos, jos taip pat gali sukelti rimtų plaučių ligų. Šis lemtingas trūkumas labai riboja jo vystymąsi. Šiuo metu jis naudojamas tik labai keliose specializuotose karinėse srityse su visapusiškomis apsaugos priemonėmis, taip pat labai keliose specializuotose aviacijos ir kosmoso srityse, kuriose taikomos visapusiškos apsaugos priemonės. Civilinę rinką iš esmės pakeitė aliuminio nitridas.
Pagrindiniai keraminių PCB pranašumai
Akivaizdžiausias keraminių substratų privalumas yra jų stipri srovės{0}}laida. Eksperimentiniai duomenys rodo, kad kai 100 A srovė nuolat teka per 1 mm storio 0,3 mm vario pagrindą, temperatūra pakyla tik apie 17 laipsnių. Jei vario storis padidinamas iki 2 mm, temperatūros kilimas gali būti kontroliuojamas 5 laipsnių tikslumu.
Be to, jis pasižymi puikiomis izoliacinėmis savybėmis, kurios gali atlaikyti aukštą įtampą. Šis turtas užtikrina įrangos ir personalo saugumą. Kadangi nereikalauja organinių klijų, jo veikimas yra itin stabilus aukštoje{2}}temperatūroje ir{3}}daug drėgnoje aplinkoje. Be to, vario folijos sukibimas yra labai stiprus ir neatsiskirs dėl drastiškų temperatūros pokyčių, todėl jos patikimumas yra daug pranašesnis už įprastų PCB.
Keraminių PCB gamybos parinktys
Nors keraminiai pagrindai pasižymi puikiomis savybėmis, jų trapumas riboja jų naudojimą didelių{0}}plotų plokščių gamyboje, o jų kaina yra daug didesnė nei FR-4. 100 mm šoninis aliuminio nitrido substratas gali kainuoti dešimtis kartų daugiau nei tokio paties dydžio FR-4.
Todėl jis daugiausia naudojamas aukštos{0} klasės programose, pvz., didelės-galios šviesos dioduose, automobilių uždegimo sistemose, aukšto-dažnio maitinimo šaltiniuose, aviacijos erdvėje ir karinėje elektronikoje. Pasirinkus keraminį pagrindą, reikia pasirinkti didžiausią stabilumą ir patikimumą. Atliekant mokslinius tyrimus ir plėtrą arba mažomis{5}}partinėmis gamybomis, labai svarbu pasirinkti profesionalų ir patikimą gamintoją. JEP PCB jau daugelį metų aktyviai dalyvauja pramonėje, turėdamas profesionalių keraminių substratų apdorojimo galimybes. Nuo prototipų kūrimo iki masinės gamybos, jis gali užtikrinti greitą reagavimą ir stabilų procesų palaikymą, užtikrindamas, kad jūsų didelio našumo{8}}projektas būtų tiksliai įgyvendintas.
Taigi, kurdami gaminį, pirmenybę teiksite sąnaudų kontrolei, ar pasirinksite keraminį pagrindą dėl 5 laipsnių temperatūros pakilimo ir neprilygstamo patikimumo bei stabilumo? Nedvejodami pasidalykite savo nuomone komentarų skiltyje, pažymėkite „Patinka“ ir pasidalykite šiuo straipsniu, kad daugiau inžinierių pamatytų šį išsamų{1}}mokslo populiarinimą.