Традиционные платы из стекловолокна FR-4 имеют тенденцию приобретать форму арки после пайки оплавлением. Это неизбежный результат дисбаланса между термическим напряжением и физическими свойствами материала. Традиционные печатные платы страдают от дефектов пайки компонентов и сбоев в работе оборудования из-за деформации. Тип печатной платы, использующей в качестве подложки керамику и обладающий почти -идеальной физической стабильностью, становится основным выбором для-мощных или высоконадежных электронных устройств.
Почему керамические подложки не деформируются?
Основная причина коробления печатной платы кроется в несоответствии коэффициентов теплового расширения материалов и снятия внутренних напряжений. Обычные подложки FR-4 образуются путем склеивания стеклоткани и эпоксидной смолы. Смола размягчается при нагревании и сжимается при охлаждении. Асимметричная медная фольга с обеих сторон еще больше усугубляет деформацию.
Керамические подложки обладают совершенно другими характеристиками. В качестве основы они используют спеченные при высокой температуре-зеленые керамические листы, обладающие очень высоким модулем упругости и чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения. Во время производства медная фольга прикрепляется к керамической поверхности с помощью высокотемпературного горячего прессования или технологии прямого меднения, обеспечивая межмолекулярное соединение, а не простое клеевое соединение. Это позволяет композитной структуре сохранять стабильность размеров даже в экстремальных температурных условиях.
Керамика из глинозема: король цены-Эффективность
В настоящее время оксид алюминия является наиболее широко используемым материалом керамической подложки, содержащим от 75% до 99,5% оксида алюминия. Высокая чистота 99,5 % обеспечивает гладкую и плотную поверхность с чрезвычайно низкими диэлектрическими потерями, что делает его пригодным для высокочастотных цепей.
Теплопроводность оксида алюминия составляет примерно от 24 до 28 Вт/(м·К), что значительно выше, чем у FR-4, равного 0,3 Вт/(м·К). Тем не менее, он по-прежнему не справляется с задачами сверхвысокой мощности. Он может похвастаться обилием сырья, высокой механической прочностью и превосходной химической стабильностью, что делает его ярким примером продукта, который сочетает в себе производительность и стоимость и тем самым занимает доминирующее положение в области микроэлектроники и силовых модулей.
Высокая теплопроводность нитрида алюминия-хорошо сочетается с кремниевыми пластинами. Появление керамики из нитрида алюминия решило проблему недостаточной теплопроводности оксида алюминия, достигнув теплопроводности, превышающей 170 Вт/(м·К), что в семь раз выше, чем у оксида алюминия, и даже превосходит теплопроводность металлического алюминия.
Что еще более важно, коэффициент теплового расширения нитрида алюминия чрезвычайно близок к коэффициенту теплового расширения полупроводниковых кремниевых пластин. Когда чипы-мощной мощности монтируются непосредственно на подложку, аналогичный коэффициент расширения эффективно позволяет избежать напряжения сдвига, вызванного термоциклированием, тем самым предотвращая растрескивание чипа или усталость паяного соединения. Его производственный процесс предъявляет чрезвычайно высокие требования к контролю содержания кислорода; чем меньше примесей кислорода, тем сильнее теплопроводность.
Высокая теплопроводность и ограничения токсичности оксида бериллия
Керамика из оксида бериллия демонстрирует исключительную теплопроводность, даже превосходящую теплопроводность нитрида алюминия, достигая более 250 Вт/(м·К) при комнатной температуре. Когда-то этот материал был предпочтительным материалом в областях с чрезвычайно строгими требованиями к рассеиванию тепла.
Однако порошок оксида бериллия токсичен. Если вдыхать пыль, образующуюся во время производства и переработки, это может вызвать серьезные заболевания легких. Аналогичным образом, если вдыхать пыль, образующуюся при утилизации, это также может вызвать серьезные заболевания легких. Этот фатальный недостаток серьезно ограничивает его развитие. В настоящее время он используется только в очень немногих специализированных военных областях с комплексными мерами защиты, а также в очень немногих специализированных областях аэрокосмической промышленности с комплексными мерами защиты. Гражданский рынок был в значительной степени заменен нитридом алюминия.
Основные преимущества керамических печатных плат
Наиболее очевидным преимуществом керамических подложек является их высокая допустимая токовая-пропускная способность. Экспериментальные данные показывают, что когда ток 100 А непрерывно протекает через медную подложку толщиной 1 мм и толщиной 0,3 мм, повышение температуры составляет всего около 17 градусов. Если толщина меди увеличивается до 2 мм, повышение температуры можно контролировать с точностью до 5 градусов.
Кроме того, он обладает отличными изоляционными свойствами, выдерживает высокое напряжение. Это свойство обеспечивает безопасность оборудования и персонала. Поскольку для него не требуются органические клеи, его характеристики чрезвычайно стабильны в условиях высокой-температуры и высокой-влажности. Кроме того, адгезия медной фольги очень прочная и не отслаивается из-за резких изменений температуры, что делает ее надежность намного превосходящей надежность обычных печатных плат.
Варианты производства керамических печатных плат
Несмотря на то, что керамические подложки обладают превосходными характеристиками, их хрупкость ограничивает их использование в производстве плат большой-площади, а их цена намного выше, чем у FR-4. Подложка из нитрида алюминия со стороной 100 мм может стоить в десятки раз дороже, чем FR-4 того же размера.
Поэтому он в основном используется в-высокотехнологичных приложениях, таких как мощные-светодиоды, автомобильные системы зажигания, высокочастотные импульсные источники питания, аэрокосмическая и военная электроника. Выбор керамической подложки означает выбор максимальной стабильности и надежности. В реальных исследованиях и разработках или мелкосерийном-производстве чрезвычайно важен выбор профессионального и надежного производителя. JEP PCB уже много лет активно работает в этой отрасли, обладая профессиональными возможностями обработки керамических подложек. От прототипирования до массового производства он может обеспечить быстрое реагирование и стабильную поддержку процессов, гарантируя, что ваш высокопроизводительный проект может быть точно реализован.
Итак, при разработке вашего продукта вы будете уделять приоритетное внимание контролю затрат или выберете керамическую подложку из-за ее повышения температуры на 5 градусов и беспрецедентной надежности и стабильности? Не стесняйтесь поделиться своим мнением в разделе комментариев, поставьте лайк и поделитесь этой статьей, чтобы больше инженеров могли увидеть эту-углубленную популяризацию науки.