خدمات تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الخزفية وخدمات تجميع SMT

تستخدم لوحة الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الخزفية الألومينا (Al₂O₃) أو نتريد الألومنيوم (AlN) أو نتريد السيليكون (Si₃N₄) كقاعدة ميكانيكية وعازل كهربائي في آنٍ واحد، دون وجود طبقة عازلة بين الدائرة النحاسية وسطح التركيب. تتراوح المقاومة الحرارية من 0.3 درجة مئوية/واط (AlN DBC) إلى 0.8 درجة مئوية/واط (الألومينا DBC)، مقارنةً بـ 3 درجات مئوية/واط للوحة الدوائر المطبوعة المعدنية المصنوعة من الألومنيوم و15 درجة مئوية/واط لـ FR4.

يركز هذا الدليل على ما يأتي بعد اختيار المواد: دمج الطبقات الحرارية، وسمك الركيزة، وتشطيب السطح، وأنماط الفشل، والتجميع، وكتابة المواصفات.

1) لوحة الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الخزفية في الطبقة الحرارية

لا تُعدّ الركيزة الخزفية حلاً حرارياً قائماً بذاته، بل هي طبقة واحدة ضمن مجموعة طبقات تمتد من وصلة الجهاز إلى سائل التبريد، وتؤثر الطبقات التي تعلوها وتليها بشكل مباشر على المقاومة الحرارية للنظام.

تضيف وسادة التوصيل الحراري المصنوعة من السيليكون بسمك 50 ميكرومتر ومعامل انتقال حراري 3 واط/متر·كلفن ما بين 0.5 و1.0 درجة مئوية/واط إلى لوحة AlN DBC ذات معامل انتقال حراري 0.3 درجة مئوية/واط، مما يضاعف المعاوقة الكلية تقريبًا. في العديد من الأنظمة، يؤدي التحول من مادة التوصيل الحراري المصنوعة من السيليكون إلى مادة متغيرة الطور إلى استعادة درجة حرارة الوصلة بشكل أكبر من الترقية من الألومينا إلى AlN.

ثلاثة قرارات تتعلق بالمواصفات تؤثر على كامل النظام:

• تغطية النحاس السفلية: يقلل التغطية الكاملة للطبقة السفلية من النحاس من مقاومة الانتشار عند نقطة اتصال السيراميك بمادة التوصيل الحراري. أما التغطية الجزئية فتخلق مناطق ميتة حرارياً بغض النظر عن مادة الركيزة.
• استواء قاعدة النحاس: يُمكّن الانعكاس الكلي الداخلي (TIR) ​​الذي يبلغ ≤25 ميكرومتر من تصنيع مواد توصيل حراري رقيقة وعالية التوصيل (مثل مواد تغيير الطور، واللحام، والفضة المتلبدة). ويمكن لهذه الخاصية وحدها أن ترفع توصيلية هذه المواد من 3 واط/متر·كلفن إلى أكثر من 150 واط/متر·كلفن.
• سمك الركيزة: يقلل استخدام طبقة أرق من مقاومة التوصيل الرأسية، ولكنه يقلل أيضًا من انتشارها الجانبي. بالنسبة للأجهزة ذات الرقاقات الكبيرة، يُفضل استخدام طبقة أرق دائمًا. أما بالنسبة للرقاقات الصغيرة على ركائز كبيرة، فيُنصح بإجراء نمذجة قبل اتخاذ القرار.

2) اختيار سمك الركيزة

يتحكم السُمك في أمرين في آن واحد: المقاومة الحرارية (كلما كان السُمك أقل كان ذلك أفضل) والمتانة الميكانيكية (كلما كان السُمك أكبر كان ذلك أفضل). يُعد السُمك الافتراضي 0.635 مم مناسبًا لمعظم التطبيقات، ولكن ليس جميعها.

هناك قيد واحد يتجاوز التحسين الحراري: جهد العزل. عند قوة عزل كهربائي تبلغ 17 كيلو فولت/مم، توفر ركيزة من الألومينا بسماكة 0.635 مم عزلًا فعالًا يبلغ حوالي 10 كيلو فولت. لا يمكن للتطبيقات التي تتطلب جهدًا أعلى من 10 كيلو فولت استخدام ركائز أرق بغض النظر عن الميزانية الحرارية.

3) خيارات تشطيب السطح

تؤثر جودة سطح المنتج على قابلية اللحام، وقابلية توصيل الأسلاك، وفترة الصلاحية. يجب تحديدها للسطحين العلوي والسفلي بشكل مستقل، ويجب أن تتوافق مع تسلسل التجميع الكامل، وليس فقط مع العملية الأولى.

عند الحاجة إلى كل من تقنية التجميع السطحي (SMT) وتوصيل الأسلاك على نفس اللوحة، يُنصح باستخدام الذهب الصلب على جميع نقاط التوصيل. إن التشطيب الموضعي (الطلاء بالذهب المقاوم للتآكل على نقاط توصيل SMT، والذهب الصلب على نقاط التوصيل) يُكلف أكثر من حيث تعقيد العملية مقارنةً بالوفورات الناتجة عن استخدام الذهب.

4) أنماط الأعطال الميدانية

إن أعطال لوحات الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الخزفية ميكانيكية وسطحية، وليست مرتبطة بالمواد الكيميائية أو الرطوبة مثل FR4. ويمكن منع جميع أنماط الأعطال الرئيسية الثلاثة من خلال التصميم.

يُعدّ التصدّع الناتج عن التركيب أكثر أنواع الأعطال شيوعًا في الموقع. يؤدي تركيب البراغي المكشوفة بدون جلبات معدنية إلى تعريضها لأحمال مركزة لا تتحملها مادة الألومينا (مقاومة الكسر 3-4 ميجا باسكال متر.5). الحل: استخدام جلبات معدنية ملحومة أو ملصقة بالإيبوكسي في جميع مواقع البراغي؛ حد عزم الدوران 0.3-0.5 نيوتن متر لبرغي M3 من خلال جلبات ألومنيوم في مادة الألومينا بسماكة 0.635 مم. يُزيل التثبيت اللاصق على اللوحة الباردة أحمال التركيب المركزة تمامًا.

يحدث انفصال طبقات مادة DBC أثناء دورات التبريد والتسخين عندما تكون جودة الربط ضعيفة أو عندما يُسبب شكل النحاس تركيزات إجهاد. وتُعدّ الجزر النحاسية الكبيرة المعزولة ذات الحواف الحادة أكثر عرضةً للخطر. الحل: تجنب نسب أبعاد رقعة النحاس التي تزيد عن 5:1؛ تحديد الحد الأدنى لقوة تقشير الربط ≥ 20 نيوتن/سم²؛ اشتراط إجراء اختبار الصدمة الحرارية وفقًا لمعيار JEDEC JESD22-A104 عند تأهيل أول عينة.

يبدأ تشقق الحواف وانتشار الشقوق نتيجةً لأضرار المناولة، كشقوق دقيقة تحدث أثناء فصل المكونات أو سقوط اللوحة. لا يمكن رؤية الشقوق عند الفحص، لكنها تنتشر لتشكل دائرة مفتوحة مع تغيرات درجة الحرارة. الحل: زوايا مشطوفة (نصف قطر ≥ 0.3 مم)؛ خلوص نحاسي ≥ 0.5 مم من الحافة؛ كشف الشقوق باستخدام الفلورسنت للدفعات عالية الموثوقية.

يؤثر إجهاد اللحام في وصلات رقائق السيليكون الملحومة بالألومينا على رقائق السيليكون، حيث يؤدي عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE) بمقدار 3.5 جزء في المليون لكل درجة مئوية إلى إجهاد قص يُستنزف وصلات SAC305 خلال 1,000 إلى 3,000 دورة حرارية في صناعة السيارات. الحل: استخدام ركائز AlN لأجهزة GaN/SiC (عدم تطابق معامل التمدد الحراري 1.1 جزء في المليون لكل درجة مئوية تقريبًا)؛ تحديد تلبيد الفضة لوصلات رقائق السيارات، حيث تتحمل الفضة الملبدة أكثر من 10,000 دورة عند فرق درجة حرارة 150 درجة مئوية؛ اشتراط ألا تتجاوز نسبة الفراغات 5% عند فحصها بالأشعة السينية.

5) التجميع والتكامل

تؤدي معايير تجميع FR4 القياسية إلى تلف الركائز الخزفية. ولا تُعدّ هذه الاختلافات تعديلات اختيارية، بل تمنع التشققات وفشل الوصلات الذي يصعب تشخيصه لاحقًا.

ملف إعادة التدفق: قلل معدل التسخين إلى 1-2 درجة مئوية/ثانية (مقارنةً بـ 3 درجات مئوية/ثانية لـ FR4). مدّد فترة التسخين عند 150-180 درجة مئوية إلى 90-120 ثانية لتوزيع درجة الحرارة بالتساوي على سطح السيراميك قبل بدء عملية إعادة التدفق. تبقى درجة الحرارة القصوى والوقت فوق درجة حرارة الانصهار دون تغيير.

خيارات تركيب الرقاقة حسب متطلبات الموثوقية:

• لحام SAC305: معيار للتطبيقات غير المتعلقة بالسيارات؛ نسبة فراغات ≤ 10% وفقًا لتحليل الأشعة السينية؛ مناسب لأقل من 3,000 دورة عند فرق درجة حرارة ≤ 100 درجة مئوية
• مزيج متجانس من AuSn / AuGe: العبوات المحكمة الإغلاق والتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية؛ تتطلب وسادات مطلية بالذهب؛ صلابة وصلات أعلى من التلبيد الفضي
• تلبيد الفضة: الأفضل لقطاعي السيارات والطيران؛ موصلية وصلة تتراوح بين 150 و250 واط/متر·كلفن؛ لا يوجد خطر إعادة صهر في العمليات اللاحقة؛ يتطلب طبقة نهائية من النحاس أو الفضة على وسادات تثبيت الرقاقة

التوصيلات الكهربائية - لا يمكن استخدام الموصلات المضغوطة على السيراميك. الخيارات القياسية: رؤوس دبابيس ملحومة؛ موصلات حافة ذات نقاط تلامس زنبركية؛ ربط كابلات الشريط/الكابلات المرنة؛ تركيب سطحي مباشر على لوحة الدوائر المطبوعة للنظام (تعامل مع وحدة السيراميك كمكون، وصمم وسادة حرارية وحجم لحام لكتلة السيراميك ومعامل التمدد الحراري).

تركيب اللوحة الباردة، من الأقل إلى الأعلى مقاومة حرارية: اللحام / اللحام بالنحاس → تلبيد الفضة → مادة التوصيل الحراري لتغيير الطور مع مشبك → الشحم الحراري مع مشبك لولبي.

6) كيفية كتابة مواصفات كاملة

تُعدّ المواصفات غير المكتملة السبب الرئيسي لتأخيرات عروض الأسعار وفشل النماذج الأولية، وليس القدرة التصنيعية. يتطلب طلب عرض أسعار لوحة الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الخزفية هذه المعايير الاثني عشر، جميعها:

1. مادة الركيزة ونقائها — Al₂O₃ 96%، Al₂O₃ 99.6%، AlN، أو Si₃N₄
2. سُمك الركيزة ± التفاوت — على سبيل المثال، 0.635 مم ± 0.05 مم
3. عملية التمعدن — DBC، أو غشاء سميك، أو غشاء رقيق، أو AMB
4. سمك النحاس، من الأعلى والأسفل — محددة بشكل مستقل؛ على سبيل المثال، 0.3 مم / 0.3 مم لـ DBC
5. تشطيب السطح، العلوي والسفلي — يتم حذفه في أغلب الأحيان؛ يجب أن تتطابق اللمسة النهائية السفلية مع طريقة تثبيت اللوحة الباردة
6. أبعاد اللوحة وتفاوتاتها — قم بتضمين شطف أو نصف قطر الزاوية إذا لزم الأمر
7. الحد الأدنى لعرض المسار والمسافة — تأكد من قدرة الشركة المصنعة قبل وضع التصميم النهائي
8. عن طريق المتطلبات — القطر، مادة الحشو، التشطيب
9. متطلبات الاختبار الكهربائي — جهد الاستمرارية/العزل؛ جهد الجهد العالي إذا لزم الأمر؛ الحقل الثاني الأكثر شيوعًا في الإغفال
10. متطلبات التأهيل — نطاق دورات التدوير الحراري وعدد الدورات؛ قوة الربط؛ المعيار المطبق (AEC-Q101، IEC 60068-2-14، MIL-PRF-38534)
11. تفصيل الكميات قد يتم تشغيل النموذج الأولي والإنتاج على خطوط إنتاج مختلفة بأسعار وأوقات تسليم مختلفة.
12. تكديس الطبقات (تصاميم متعددة الطبقات) — تسلسل طبقات السيراميك والموصل؛ تعبئة وتغطية الفتحات لتقنية LTCC أو الحرق المشترك

7) المنتجات ذات الصلة

• ركيزة DBC: أكثر أنواع لوحات الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الخزفية شيوعًا في إلكترونيات الطاقة هي تلك المصنوعة من النحاس الملتصق بالخزف عند درجة حرارة تقارب 1,065 درجة مئوية. عندما يقول المهندسون "لوحة دوائر مطبوعة ذات قاعدة خزفية" لوحدات الطاقة، فإنهم يقصدون عادةً ركيزة DBC منقوشة.
• لوحة الدوائر المطبوعة الخزفية ذات الطبقة السميكة: موصلات مطبوعة بالشاشة (5-20 ميكرومتر) يتم حرقها عند درجة حرارة 850-1,000 درجة مئوية. تكلفة أقل من DBC لتطبيقات التيار المتوسط؛ تتيح دمج المقاومات والمكثفات داخل القاعدة الخزفية.
• ركيزة AMB: تستخدم تقنية اللحام المعدني النشط لحام الفضة والنحاس والتيتانيوم عند درجة حرارة 800-900 درجة مئوية. تتميز هذه التقنية برابطة نحاسية-سيراميكية أقوى من تقنية اللحام بالنحاس المزدوج؛ وهي مفضلة للركائز الأساسية المصنوعة من نيتريد السيليكون ووحدات السيارات التي تتطلب عمرًا يزيد عن 10,000 دورة حرارية.
• شركة LTCC: سيراميك متعدد الطبقات مع موصلات وثقوب مدمجة يتم حرقها معًا عند درجة حرارة 850-900 درجة مئوية. يستخدم في وحدات الترددات الراديوية وحزم الرقائق المتعددة حيث تكون القاعدة السيراميكية هي بنية التوصيل البيني ثلاثية الأبعاد، وليست مجرد ركيزة حرارية.
• لوحة الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية (IMS): بديل أقل تكلفة عند عدم الحاجة إلى ميزانية حرارية خزفية. مقاومة حرارية أعلى من 3 إلى 5 مرات من الألومينا DBC. الخيار الأمثل عندما تسمح الميزانية الحرارية للتطبيق بذلك.
• تجميع لوحة الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الخزفية: إن عملية تركيب الرقاقات، وربط الأسلاك، وإعادة التدفق بدرجة حرارة عالية، بالإضافة إلى تصنيع الركائز، تقلل من مخاطر التعامل وتضمن توافق العملية.

الأسئلة الشائعة

ما الفرق بين لوحة الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الخزفية وركيزة DBC؟

تقنية DBC (النحاس المربوط مباشرة) هي طريقة لطلاء المعادن، حيث يتم ربط رقائق النحاس بالسيراميك عند درجة حرارة تقارب 1,065 درجة مئوية. جميع ركائز DBC هي لوحات دوائر مطبوعة ذات قاعدة سيراميكية، ولكن لوحات الدوائر المطبوعة ذات القاعدة السيراميكية تشمل أيضًا تركيبات ذات طبقة سميكة وأخرى ذات طبقة رقيقة. في مجال إلكترونيات الطاقة، غالبًا ما يُستخدم المصطلحان بشكل متبادل؛ أما في تطبيقات الترددات الراديوية، فإن استخدام الطبقة الرقيقة على قاعدة سيراميكية أكثر شيوعًا من تقنية DBC.

هل يمكن استبدال لوحة الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الخزفية بلوحة الدوائر المطبوعة ذات النواة المعدنية بشكل مباشر؟

لا يمكن تحقيق ذلك دون إعادة تصميم. يتطلب السيراميك جلبات معدنية في فتحات التثبيت، ومعدلات تدفق أبطأ (1-2 درجة مئوية/ثانية)، وعدم وجود موصلات ضغط، وقواعد فصل مختلفة. صحيح أن التحسن الحراري حقيقي - 0.3-0.8 درجة مئوية/واط مقابل 3 درجات مئوية/واط للوحة الدوائر المطبوعة المعدنية المصنوعة من الألومنيوم - إلا أن هذا التغيير يستلزم تعديلات واضحة على عملية التثبيت والتوصيل والتجميع.

ما هي تشطيبات السطح المطلوبة لكل من تقنية التجميع السطحي (SMT) وتقنية توصيل الأسلاك؟

يلزم استخدام الذهب الصلب (طبقة مطلية كهربائياً من النيكل بسمك 3-5 ميكرومتر/الذهب بسمك 0.5-2.0 ميكرومتر). طبقة الذهب في تقنية ENIG، بسمك 0.05 ميكرومتر تقريباً، رقيقة جداً لتوصيل الأسلاك وتؤدي إلى فشل عملية التوصيل. لذا، يُنصح باستخدام الذهب الصلب على جميع نقاط التوصيل عند استخدام كلٍ من تقنية التجميع السطحي (SMT) وتوصيل الأسلاك في عملية التجميع.

لماذا تتشقق لوحات الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الخزفية بعد اجتيازها الفحص الأولي؟

معظم التشققات التي تحدث بعد الفحص ناتجة عن عملية التجميع، وليس عن عيوب في المادة الأساسية: مثل تركيب البراغي المكشوفة، أو استخدام مثبتات ذات عزم ربط زائد، أو عدم استواء أسطح الألواح الباردة. كما أن التشققات الدقيقة دون الحرجة الناتجة عن الانفصال - والتي لا يمكن رؤيتها في الفحص القياسي - تنتشر لتشكل دوائر مفتوحة عند تعرضها لدورات حرارية متكررة. ويمنع الكشف عن التشققات باستخدام الفلورسنت عند مدخل المنتج وعند تركيب البطانات المعدنية كلا نوعي الفشل.

ما هي المدة الزمنية اللازمة لتصنيع نماذج أولية للوحات الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الخزفية؟

طبقة ألومينا DBC: من أسبوعين إلى أربعة أسابيع. طبقة AlN DBC: من ثلاثة إلى خمسة أسابيع. طبقة سميكة: من ثلاثة إلى أربعة أسابيع. طبقة رقيقة: من أربعة إلى ستة أسابيع. إضافة أبعاد مخصصة من أسبوع إلى أسبوعين. تقديم جميع معايير المواصفات الاثني عشر في طلب عرض الأسعار يزيل السبب الأكثر شيوعًا للتأخير.

هل لوحة الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الخزفية هي نفسها لوحة الدوائر المطبوعة ذات درجة الحرارة العالية؟

لا. تشمل لوحات الدوائر المطبوعة المقاومة للحرارة العالية ركائز السيراميك، وPTFE/الزجاج، والبولي إيميد، والركائز ذات النواة المعدنية - أي لوحة مصنفة أعلى من حد FR4 البالغ 130-150 درجة مئوية. تُعد القاعدة السيراميكية الفئة الأعلى أداءً: درجات حرارة تشغيل أعلى من 300 درجة مئوية، وموصلية حرارية أعلى من 60 إلى 600 مرة من العوازل البوليمرية. PTFE مقاوم للحرارة العالية ولكنه لا يوفر أي ميزة في الموصلية الحرارية.

عرض سعر للوحة الدوائر المطبوعة ذات القاعدة الخزفية