Traditionele FR-4 glasvezelplaten hebben de neiging een "boogvorm" te ontwikkelen na reflow-solderen. Dit is een onvermijdelijk gevolg van de onbalans tussen thermische spanning en de fysieke eigenschappen van het materiaal. Traditionele PCB's hebben last van soldeerfouten in componenten en defecten aan apparatuur als gevolg van kromtrekken. Een type PCB met keramiek als substraat, met zijn vrijwel-perfecte fysieke stabiliteit, wordt de belangrijkste keuze voor elektronische apparaten met een hoog-vermogen of een hoge betrouwbaarheid.
Waarom vervormen keramische substraten niet?
De hoofdoorzaak van het kromtrekken van PCB's ligt in de discrepantie tussen de thermische uitzettingscoëfficiënten van de materialen en het vrijkomen van interne spanning. Gewone FR-4-substraten worden gevormd door glasvezeldoek en epoxyhars te verbinden. De hars wordt zacht bij verhitting en krimpt bij afkoeling. Asymmetrische koperfolie aan beide zijden verergert de vervorming nog verder.
Keramische substraten hebben geheel andere eigenschappen. Ze gebruiken gesinterde groene keramische platen op hoge temperatuur als basis, met een zeer hoge elasticiteitsmodulus en een extreem lage thermische uitzettingscoëfficiënt. Tijdens de productie wordt koperfolie aan het keramische oppervlak bevestigd via hoge- temperatuur heetpersen of directe koperplatingtechnologie, waardoor intermoleculaire binding wordt bereikt in plaats van eenvoudige lijmverbinding. Hierdoor kan de composietstructuur zijn maatvastheid behouden, zelfs onder extreme temperatuuromstandigheden.
Aluminiumoxide-keramiek: de koning van de kosten-Effectiviteit
Aluminiumoxide is momenteel het meest gebruikte keramische substraatmateriaal en bevat tussen 75% en 99,5% aluminiumoxide. Een hoge zuiverheid van 99,5% resulteert in een glad en dicht oppervlak met extreem laag diëlektrisch verlies, waardoor het geschikt is voor hoogfrequente circuits.
De thermische geleidbaarheid van aluminiumoxide is ongeveer 24 tot 28 W/(m·K), aanzienlijk hoger dan de 0,3 W/(m·K) van FR-4. Het schiet echter nog steeds tekort in toepassingen met ultrahoog vermogen. Het beschikt over overvloedige grondstoffen, hoge mechanische sterkte en uitstekende chemische stabiliteit, waardoor het een goed voorbeeld is van een product dat prestaties en kosten in evenwicht houdt, en daarmee een dominante positie bekleedt op het gebied van micro-elektronica en vermogensmodules.
De hoge thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride komt goed- overeen met die van siliciumwafels. De opkomst van aluminiumnitride-keramiek heeft het probleem van onvoldoende thermische geleidbaarheid van aluminiumoxide opgelost, waardoor een thermische geleidbaarheid van meer dan 170 W/(m·K) is bereikt, zeven keer zo hoog als die van aluminiumoxide en zelfs hoger dan die van metallisch aluminium.
Belangrijker nog is dat de thermische uitzettingscoëfficiënt van aluminiumnitride extreem dicht bij die van halfgeleider-siliciumwafels ligt. Wanneer chips met een hoog-vermogen rechtstreeks op het substraat worden gemonteerd, voorkomt de vergelijkbare uitzettingscoëfficiënt effectief schuifspanning veroorzaakt door thermische cycli, waardoor chipscheuren of vermoeidheid van soldeerverbindingen worden voorkomen. Het productieproces stelt extreem hoge eisen aan de controle van het zuurstofgehalte; hoe lager de zuurstofonzuiverheden, hoe sterker de thermische geleidbaarheid.
Hoge thermische geleidbaarheid en toxiciteitsbeperkingen van berylliumoxide
Berylliumoxide-keramiek vertoont een uitzonderlijke thermische geleidbaarheid, die zelfs die van aluminiumnitride overtreft, en bereikt meer dan 250 W/(m·K) bij kamertemperatuur. Het was ooit het voorkeursmateriaal in velden met extreem strenge eisen op het gebied van warmteafvoer.
Berylliumoxidepoeder is echter giftig. Als het tijdens de productie en verwerking gegenereerde stof wordt ingeademd, kan dit ernstige longziekten veroorzaken. Op dezelfde manier kan het inademen van het stof dat vrijkomt tijdens de verwijdering ook ernstige longziekten veroorzaken. Deze fatale fout beperkt de ontwikkeling ervan ernstig. Momenteel wordt het alleen gebruikt op een zeer klein aantal gespecialiseerde militaire terreinen met uitgebreide beschermingsmaatregelen, en ook op een zeer klein aantal gespecialiseerde lucht- en ruimtevaartgebieden met uitgebreide beschermingsmaatregelen. De civiele markt is grotendeels vervangen door aluminiumnitride.
De kernvoordelen van keramische PCB's
Het meest voor de hand liggende voordeel van keramische substraten is hun sterke stroom-capaciteit. Experimentele gegevens laten zien dat wanneer een stroom van 100 A continu door een 1 mm dik koperen substraat van 0,3 mm stroomt, de temperatuurstijging slechts ongeveer 17 graden bedraagt. Als de koperdikte wordt vergroot tot 2 mm, kan de temperatuurstijging tot op 5 graden worden gecontroleerd.
Bovendien heeft het uitstekende isolatie-eigenschappen die bestand zijn tegen hoge spanning. Deze eigenschap garandeert de veiligheid van apparatuur en personeel. Omdat er geen organische lijmen nodig zijn, zijn de prestaties extreem stabiel in omgevingen met hoge- temperaturen en hoge- vochtigheid. Bovendien is de hechting van koperfolie zeer sterk en zal deze niet loslaten als gevolg van drastische temperatuurveranderingen, waardoor de betrouwbaarheid ervan veel beter is dan die van gewone PCB's.
Productieopties voor keramische PCB's
Hoewel keramische substraten superieure prestaties leveren, beperkt hun kwetsbare aard het gebruik ervan bij de productie van platen voor grote- oppervlakken, en is hun prijs veel hoger dan die van FR-4. Een aluminiumnitride-substraat met een zijde van 100 mm kan tientallen keren meer kosten dan een FR-4 van dezelfde grootte.
Daarom wordt het vooral gebruikt in hoogwaardige-toepassingen zoals krachtige-LED's, ontstekingssystemen voor auto's,-hoogfrequente schakelende voedingen, ruimtevaart en militaire elektronica. Kiezen voor een keramisch substraat betekent kiezen voor ultieme stabiliteit en betrouwbaarheid. Bij daadwerkelijke R&D of productie in kleine- batches is het selecteren van een professionele en betrouwbare fabrikant uiterst cruciaal. JEP PCB is al vele jaren nauw betrokken bij de industrie en beschikt over professionele verwerkingsmogelijkheden voor keramische substraten. Van prototyping tot massaproductie: het biedt een snelle respons en stabiele procesondersteuning, zodat uw hoogwaardige-ontwerp nauwkeurig kan worden gerealiseerd.
Geeft u bij uw productontwerp prioriteit aan kostenbeheersing, of kiest u voor een keramisch substraat vanwege de temperatuurstijging van 5 graden en de ongeëvenaarde betrouwbaarheid en stabiliteit? Voel je vrij om je mening te delen in het commentaargedeelte, en dit artikel leuk te vinden en te delen, zodat meer ingenieurs deze -diepgaande wetenschapspopularisering kunnen zien.