לוחות פיברגלס FR- מסורתיים נוטים לפתח צורת "קשת" לאחר הלחמה חוזרת. זוהי תוצאה בלתי נמנעת של חוסר האיזון בין מתח תרמי לתכונות הפיזיקליות של החומר. לוחות PCB מסורתיים סובלים מליקויים בהלחמת רכיבים ותקלות בציוד עקב עיוות. סוג של PCB המשתמש בקרמיקה כמצע שלו, עם היציבות הפיזית הקרובה ל-מושלמת, הופך לבחירה הליבה עבור מכשירים אלקטרוניים בעלי הספק- גבוה או אמינות גבוהה.
למה מצעים קרמיים לא מתעוותים?
הסיבה העיקרית לעיוות PCB נעוצה בחוסר ההתאמה בין מקדמי ההתפשטות התרמית של החומרים לבין שחרור הלחץ הפנימי. מצעי FR-4 רגילים נוצרים על ידי הדבקת בד פיברגלס ושרף אפוקסי. השרף מתרכך בחימום ומתכווץ בקירור. רדיד נחושת א-סימטרי משני הצדדים מחמיר עוד יותר את העיוות.
מצעים קרמיים הם בעלי מאפיינים שונים לחלוטין. הם משתמשים ביריעות קרמיקה ירוקות מחומרות בטמפרטורה גבוהה- כבסיס, המציגות מודול אלסטי גבוה מאוד ומקדם התפשטות תרמית נמוך במיוחד. במהלך הייצור, רדיד נחושת מחובר למשטח הקרמי באמצעות לחיצה חמה בטמפרטורה- גבוהה או טכנולוגיית ציפוי נחושת ישירה, ומשיגת הדבקה בין מולקולרית במקום הדבקה פשוטה. זה מאפשר למבנה המרוכב לשמור על יציבות מימדית גם בתנאי טמפרטורה קיצוניים.
אלומינה קרמיקה: מלך העלות-היעילות
אלומינה היא כיום חומר המצע הקרמי הנפוץ ביותר, המכיל בין 75% ל-99.5% אלומינה. טוהר גבוה של 99.5% מביא למשטח חלק וצפוף עם אובדן דיאלקטרי נמוך במיוחד, מה שהופך אותו למתאים למעגלים-תדרים גבוהים.
המוליכות התרמית של אלומינה היא בערך 24 עד 28 W/(m·K), גבוהה משמעותית מה-0.3 W/(m·K) של FR-4. עם זאת, הוא עדיין נופל ביישומי הספק גבוה במיוחד. הוא מתהדר בחומרי גלם בשפע, חוזק מכני גבוה ויציבות כימית מעולה, מה שהופך אותו לדוגמא מצוינת למוצר שמאזן בין ביצועים לעלות, ובכך מחזיק במעמד דומיננטי בתחומי המיקרו-אלקטרוניקה ומודול הכוח.
המוליכות התרמית הגבוהה של אלומיניום ניטריד -מותאמת היטב לפרוסות סיליקון. הופעתה של קרמיקת אלומיניום ניטריד פתרה את הבעיה של מוליכות תרמית לא מספקת באלומינה, והשיגה מוליכות תרמית העולה על 170 W/(m·K), פי שבעה מאלומינה ואף עולה על זו של אלומיניום מתכתי.
חשוב מכך, מקדם ההתפשטות התרמית של אלומיניום ניטריד קרוב מאוד לזה של פרוסות סיליקון מוליכים למחצה. כאשר שבבי הספק- גבוהים מותקנים ישירות על המצע, מקדם ההתפשטות הדומה מונע למעשה מתח גזירה הנגרם על ידי מחזוריות תרמית, ובכך מונע פיצוח שבב או עייפות מפרקי הלחמה. לתהליך הייצור שלו דרישות גבוהות במיוחד לבקרת תכולת חמצן; ככל שזיהומי החמצן נמוכים יותר, כך המוליכות התרמית חזקה יותר.
מגבלות מוליכות תרמית גבוהה ורעילות של תחמוצת בריליום
קרמיקה של תחמוצת בריליום מציגה מוליכות תרמית יוצאת דופן, אפילו עולה על זו של ניטריד אלומיניום, ומגיעה ליותר מ-250 W/(m·K) בטמפרטורת החדר. פעם זה היה החומר המועדף בתחומים עם דרישות פיזור חום מחמירות ביותר.
עם זאת, אבקת תחמוצת בריליום היא רעילה. אם האבק שנוצר במהלך הייצור והעיבוד נשאף, הוא עלול לגרום למחלות ריאה חמורות. באופן דומה, אם האבק שנוצר במהלך ההשלכה נשאף, הוא עלול לגרום גם למחלות ריאה חמורות. הפגם הקטלני הזה מגביל מאוד את התפתחותו. נכון לעכשיו, הוא נמצא בשימוש רק במעט מאוד תחומים צבאיים מיוחדים עם אמצעי הגנה מקיפים, וגם במעט מאוד שדות תעופה וחלל מיוחדים עם אמצעי הגנה מקיפים. השוק האזרחי הוחלף ברובו על ידי אלומיניום ניטריד.
יתרונות הליבה של PCB קרמיים
היתרון הברור ביותר של מצעים קרמיים הוא יכולת נשיאת הזרם החזק-שלהם. נתוני ניסוי מראים שכאשר זרם 100A זורם ברציפות דרך מצע נחושת בעובי 1 מ"מ בעובי 0.3 מ"מ, עליית הטמפרטורה היא רק בסביבות 17 מעלות. אם עובי הנחושת גדל ל-2 מ"מ, ניתן לשלוט בעליית הטמפרטורה עד ל-5 מעלות.
בנוסף, יש לו תכונות בידוד מעולות שיכולות לעמוד במתח גבוה. נכס זה מבטיח את בטיחות הציוד והצוות. מכיוון שהוא אינו דורש דבקים אורגניים, הביצועים שלו יציבים במיוחד בסביבות-טמפרטורות ולחות- גבוהה. יתר על כן, הדבקה של רדיד הנחושת חזקה מאוד ולא תתנתק עקב שינויי טמפרטורה דרסטיים, מה שהופך את האמינות שלו לעולה בהרבה על PCBs רגילים.
אפשרויות ייצור עבור PCB קרמיים
למרות שמצעי קרמיקה מציגים ביצועים מעולים, האופי השביר שלהם מגביל את השימוש בהם בייצור לוחות-בשטחים גדולים, ומחירם גבוה בהרבה מ-FR-4. מצע ניטריד מאלומיניום צדדי בגודל 100 מ"מ עשוי לעלות פי עשרות מונים מאשר FR-4 באותו גודל.
לכן, הוא משמש בעיקר ביישומים-מתקדמים כגון נוריות-הספק גבוה, מערכות הצתה לרכב, ספקי כוח-מתג גבוה בתדר גבוה, תעופה וחלל ואלקטרוניקה צבאית. בחירת מצע קרמי מסמלת בחירה של יציבות ואמינות אולטימטיביים. במחקר ופיתוח בפועל או בייצור-קטן, בחירת יצרן מקצועי ואמין היא חיונית ביותר. JEP PCB מעורב עמוק בתעשייה במשך שנים רבות, בעל יכולות מקצועיות לעיבוד מצע קרמי. החל מיצירת אב טיפוס ועד לייצור המוני, הוא יכול לספק תגובה מהירה ותמיכה בתהליך יציב, מה שמבטיח שניתן להשיג את העיצוב הגבוה-בביצועים הגבוהים שלך.
אז, בתכנון המוצר שלך, תעדיפו בקרת עלויות, או שתבחרו במצע קרמי בגלל עליית הטמפרטורה שלו ב-5 מעלות ואמינות ויציבותו שאין שני לה? אל תהסס לשתף את הדעות שלך בקטע ההערות, לעשות לייק ולשתף את המאמר הזה כדי שמהנדסים נוספים יוכלו לראות זאת ב-פופולריות מדעית מעמיקה.