Традиційні плати зі скловолокна FR-4 мають тенденцію розвивати форму «арки» після пайки оплавленням. Це неминучий результат дисбалансу між термічною напругою та фізичними властивостями матеріалу. Традиційні друковані плати страждають від дефектів пайки компонентів і несправностей обладнання через деформацію. Тип друкованої плати з керамікою як підкладкою з майже-ідеальною фізичною стабільністю стає основним вибором для-потужних або високонадійних електронних пристроїв.
Чому керамічні підкладки не деформуються?
Основна причина викривлення друкованої плати полягає в невідповідності між коефіцієнтами теплового розширення матеріалів і вивільненням внутрішньої напруги. Звичайні підкладки FR-4 утворюються шляхом склеювання склотканини та епоксидної смоли. При нагріванні смола розм’якшується, а при охолодженні стискається. Асиметрична мідна фольга з обох сторін ще більше посилює деформацію.
Керамічні підкладки мають зовсім інші характеристики. Вони використовують -спечені при високій температурі керамічні зелені листи як основу, демонструючи дуже високий модуль пружності та надзвичайно низький коефіцієнт теплового розширення. Під час виробництва мідна фольга прикріплюється до керамічної поверхні за допомогою високо-температурного гарячого пресування або технології прямого міднення, досягаючи міжмолекулярного зв’язку, а не простого клею. Це дозволяє композитній структурі зберігати стабільність розмірів навіть за екстремальних температурних умов.
Глиноземна кераміка: найкраща економічна-ефективність
Оксид алюмінію в даний час є найбільш широко використовуваним матеріалом для керамічної основи, який містить від 75% до 99,5% глинозему. Висока чистота 99,5% забезпечує гладку та щільну поверхню з надзвичайно низькими діелектричними втратами, що робить його придатним для -високочастотних ланцюгів.
Теплопровідність оксиду алюмінію становить приблизно від 24 до 28 Вт/(м·К), що значно вище, ніж у FR-4 0,3 Вт/(м·К). Тим не менш, він все ще не вистачає в додатках із надвисокою потужністю. Він може похвалитися великою кількістю сировини, високою механічною міцністю та чудовою хімічною стабільністю, що робить його яскравим прикладом продукту, який збалансовує продуктивність і вартість, таким чином займаючи домінуючу позицію в області мікроелектроніки та силових модулів.
Висока теплопровідність нітриду алюмінію добре-відповідає кремнієвим пластинам. Поява кераміки з нітриду алюмінію вирішила проблему недостатньої теплопровідності глинозему, досягнувши теплопровідності, що перевищує 170 Вт/(м·К), що в сім разів перевищує теплопровідність глинозему і навіть перевищує теплопровідність металевого алюмінію.
Що ще важливіше, коефіцієнт теплового розширення нітриду алюмінію надзвичайно близький до коефіцієнта напівпровідникових кремнієвих пластин. Коли потужні мікросхеми-встановлюються безпосередньо на підкладці, подібний коефіцієнт розширення ефективно запобігає напрузі зсуву, спричиненій термічними циклами, таким чином запобігаючи розтріскування мікросхем або втому паяного з’єднання. Його виробничий процес має надзвичайно високі вимоги до контролю вмісту кисню; чим менше домішок кисню, тим сильніша теплопровідність.
Обмеження високої теплопровідності та токсичності оксиду берилію
Кераміка з оксиду берилію демонструє виняткову теплопровідність, навіть перевершуючи нітрид алюмінію, досягаючи понад 250 Вт/(м·К) за кімнатної температури. Колись він був кращим матеріалом у галузях із надзвичайно суворими вимогами до розсіювання тепла.
Однак порошок оксиду берилію токсичний. Якщо вдихати пил, що утворюється під час виробництва та обробки, це може спричинити серйозні захворювання легенів. Подібним чином, якщо пил, що утворюється під час утилізації, вдихається, це також може спричинити серйозні захворювання легенів. Цей фатальний недолік сильно обмежує його розвиток. В даний час він використовується лише в дуже небагатьох спеціалізованих військових областях із комплексними заходами захисту, а також у дуже небагатьох спеціалізованих аерокосмічних галузях із комплексними заходами захисту. Цивільний ринок в основному витіснений нітридом алюмінію.
Основні переваги керамічних друкованих плат
Найочевиднішою перевагою керамічних підкладок є їх-висока струмопровідна здатність. Експериментальні дані показують, що коли струм 100 А постійно протікає через мідну підкладку товщиною 1 мм і 0,3 мм, підвищення температури становить лише близько 17 градусів. Якщо товщину міді збільшити до 2 мм, підвищення температури можна контролювати з точністю до 5 градусів.
Крім того, він має чудові ізоляційні властивості, які витримують високу напругу. Ця властивість забезпечує безпеку обладнання та персоналу. Оскільки для нього не потрібні органічні клеї, його продуктивність надзвичайно стабільна в умовах високої-температури та-вологості. Крім того, адгезія мідної фольги є дуже міцною та не від’єднується через різкі зміни температури, що робить її надійність набагато кращою, ніж звичайні друковані плати.
Варіанти виробництва керамічних друкованих плат
Незважаючи на те, що керамічні підкладки демонструють чудову продуктивність, їх крихкість обмежує їх використання у виробництві плит-великої площі, а їх ціна набагато вища, ніж FR-4. 100-міліметрова бічна підкладка з нітриду алюмінію може коштувати в десятки разів дорожче, ніж FR-4 такого ж розміру.
Тому він в основному використовується в високо-додатках, таких як високо-потужні світлодіоди, автомобільні системи запалювання, високо-частотні імпульсні джерела живлення, аерокосмічна та військова електроніка. Вибір керамічної підкладки означає вибір максимальної стабільності та надійності. Під час фактичних досліджень і розробок або дрібно-серійного виробництва вибір професійного та надійного виробника є надзвичайно важливим. JEP PCB багато років активно бере участь у цій галузі, володіючи професійними можливостями обробки керамічної підкладки. Від створення прототипу до масового виробництва він може забезпечити швидку реакцію та стабільну підтримку процесу, забезпечуючи точне досягнення вашої високо-продуктивної конструкції.
Отже, при проектуванні продукту ви віддасте пріоритет контролю над витратами чи ви виберете керамічну підкладку через підвищення температури на 5 градусів і неперевершену надійність і стабільність? Не соромтеся ділитися своїми думками в розділі коментарів, ставити лайки та ділитися цією статтею, щоб більше інженерів могли побачити цю-поглиблену популяризацію науки.