Sukellus keraamisiin piirilevyihin: tyypit ja materiaalin ominaisuudet

Keraamiset piirilevyt, joka tunnetaan myös nimellä keraamiset hybridipiirilaitteet, on tullut alan standardi sähkökomponenteille. Tätä tekniikkaa käytettiin alun perin keraamisissa kondensaattoreissa, mutta nyt sitä käytetään useissa sovelluksissa keraamisten materiaalien ominaisuuksien vuoksi, mikä tekee niistä kestäviä, luotettavia ja erinomaisen vaihtoehdon perinteisille sähkökomponenteille. Tässä artikkelissa tarkastellaan keraamisten PCB-levyjen materiaaleja, tyyppejä, etuja ja haittoja sekä annetaan näkemyksiä niiden tuotannosta ja hankinnasta.

Mikä on keraaminen piirilevy?

Keraaminen piirilevy on eräänlainen piirilevy, joka on valmistettu keraamisesta materiaalipohjasta tai substraatista, yleensä epäorgaanisesta dielektristä, perinteisen lasikuitu- tai epoksihartsipohjan sijaan. Se koostuu ohuesta eristävästä kerroksesta keraamista materiaalia, jossa on metallikomponentti.

Keraamisten piirilevyjen peruskomponentit

Integroiduista piireistä on tullut erittäin integroituja, ja nykyaikainen tekniikka ja elektroniikka sisältävät satoja tai tuhansia transistoreita ja vastuksia monimutkaisessa kokoonpanossa, joka on rakennettu pienelle piisirulle tai integroidulle piirille (IC). Nämä integroidut piirit vaativat alustan tai alustan, jonne rakennetaan pieniä elektronisia materiaaleja ja liitäntöjä, sekä rakenteen, joka eristää piirin sen ulkoisesta ympäristöstä ja tekee siitä kompaktin ja kiinteän yksikön, joka tunnetaan pakettina. Substraatit ja pakkaukset ovat välttämättömiä integroitujen piirien luotettavuuden ylläpitämiseksi, eristyksen ja suojauksen kannalta.

Keraamiset materiaalit tunnetaan eristysominaisuuksistaan, joten ne ovat ihanteellisia integroitujen piirien substraateille ja pakkauksille. Niiden erinomainen lämmönjohtavuus ja kaasutiiviys tekevät niistä soveltuvia tehoelektroniikkaan, hybridimikroelektroniikkaan, elektroniikkapakkauksiin ja monisirumoduuleihin, erityisesti sellaisilla aloilla kuin esim. ilmailu ja autoteollisuudessa, jotka vaativat suuren tehotiheyden piirisuunnittelua ankarissa ympäristöissä. Keraamisia PCB-substraattimateriaaleja käytetään korkeissa lämpötiloissa, joissa tavalliset piirilevyt eivät kestä lämpötiloja.

Keraamisissa piirilevyissä käytetyt materiaalit

Keraamisten piirilevyjen valmistukseen käytetään erilaisia ​​keraamisia materiaaleja, joiden lämmönjohtavuus ja lämpölaajenemiskerroin (CTE) ovat kriittisiä huomioitavia ominaisuuksia. Esimerkkejä substraattimateriaaleista ovat alumiinioksidi tai alumiinioksidi (Al203), alumiininitridi (AlN), beryllia- tai berylliumoksidi (BeO), piikarbidi (SiC) ja boorinitridi (BN).

Alumiinioksidi (Al2O3)

Alumiinioksidi, joka tunnetaan myös nimellä alumiinioksidi, on alumiinista ja hapesta valmistettu epäorgaaninen yhdiste. Se on erinomainen sähköeriste, jonka sähköinen resistiivisyys on noin 1 × 1014 Ω·cm. Erinomaisen lämpö- ja korroosionkestävyyden, mekaanisen ja dielektrisen lujuuden ja ilmatiiviiden tiivisteiden ansiosta alumiinioksidia käytetään yleisesti elektroniikassa alustoissa ja pakkauksissa, ja sen lämmönjohtavuus on 25.0 W/(m·K) ja CTE 4.5–10.9 x 10-6/K.

Alumiininitridi (AlN)

Alumiininitridi on oksiditon, puolijohde-tekninen keraaminen materiaali, jonka sähkövastus on 10-12 10x Ω-m ja lämmönjohtavuus 80-200 W/(m·K). Sen lämpölaajenemiskerroin (CTE) on alhainen 4 - 6 × 10-6K1, joten se soveltuu korkean virran ja korkean lämpötilan ympäristöihin.

Berylliumoksidi (BeO)

Berylliumoksidi tai beryllia on johdettu beryllistä tai bromeliitin mineraalista. Sen korkea lämmönjohtavuus on 209-330 W/(m·K) ja CTE 7.4-8.9 x 10-6/K, joten se sopii erinomaisesti sovelluksiin, jotka vaativat ilma- tai nestejäähdytystä korkeissa lämpötiloissa tai korkeatiheyksiset PCB-levyt.

Keraamisten piirilevyjen edut ja haitat

Keraamisten piirilevyjen edut

Keraamiset piirilevyt tarjoavat useita etuja perinteisiin piirilevyihin verrattuna, mukaan lukien:

1. Korkea lämmönjohtavuus: 25 - 330 W/(m·K) keraamiset PCB:t haihduttavat lämpöä tehokkaasti ja estävät korkeiden lämpötilojen aiheuttamat vauriot.
2. Matala lämpölaajenemiskerroin (CTE): Kiinteillä atomien välisillä sidoksilla keraamiset PCB-levyt pysyvät vakaina ja tasaisina jopa muuttuvissa lämpötiloissa.
3. Erinomainen lämmöneristys: Lämpö ei todennäköisesti virtaa alustan läpi, mikä suojaa komponentteja vaurioilta.
4. Epäorgaaninen materiaali: Keraamiset PCB:t tarjoavat pitkän aikavälin kemiallisen kestävyyden ja kestävyyden.
5. Monikerroksisuus: Mahdollistaa monimutkaiset tehtävät ja raskaat sovellukset.
6. Korkean taajuuden kapasiteetti: Ihanteellinen sovelluksiin, jotka vaativat suurtaajuista dataa ja sähköisten signaalien siirtoa.
7. Kustannustehokkuus: Alkukustannuksista huolimatta keraamiset piirilevyt tarjoavat paremman suorituskyvyn ja pidemmän käyttöiän, mikä pienentää järjestelmän kokonaiskustannuksia verrattuna metalliytimisiin piirilevyihin.

Keraamisten piirilevyjen haitat

Vaikka keraamiset piirilevyt tarjoavat lukuisia etuja, on olemassa joitain mahdollisia haittoja, jotka on otettava huomioon:

1. Käsittely: Keraamiset piirilevyt voivat olla herkkiä ja vaativat erityiskäsittelyä kokoonpanon ja testauksen aikana.
2. Kohtuuhintaisuus: Vaikka keraamiset piirilevyt ovat pitkällä aikavälillä kustannustehokkaita, ne ovat aluksi kalliimpia kuin perinteiset piirilevyt erityisten tuotantolaitteiden ja materiaalien vuoksi.

Keraamisten piirilevyjen tyypit

Keraamisia piirilevyjä valmistetaan erilaisilla prosesseilla, joista syntyy erilaisia ​​tyyppejä tuotantomenetelmiensä perusteella. Yleisiä tyyppejä ovat:

• Laser Activation Metallization PCB (LAM PCB): Käyttää korkean energian laserporaa ionisoimaan keraamisen aineen ja metallin luoden sidoksen tai syvälinkin tasaisemman pintarakenteen saamiseksi.
• Direct Plate Copper PCB (DPC PCB): Käyttää fysikaalista höyrypinnoitusmenetelmää (PVD) kuparin sitomiseen alustoihin korkeissa lämpötiloissa ja paineissa kuparin paksuusalueella 10 μm - 140 μm.
• Direct Bonded Copper PCB (DBC PCB): Tuo happea kuparin ja keramiikan välille ennen pinnoitusta tai sen aikana, sopii suurille kuparipaksuuksille 140 μm - 350 μm.
• Matalalämpötilainen rinnakkaispoltettu keraaminen PCB (LTCC PCB): Yhdistää keraamisen aineen lasimateriaaliin luodakseen PCB:itä, joilla on erinomaiset lämpö- ja sähköominaisuudet.
• Korkean lämpötilan rinnakkaispoltettu keraaminen PCB (HTCC PCB): Valmistettu keraamista raaka-aineesta ilman lasia, paistettu 1600–1700 °C:n lämpötilassa käytettäväksi ankarissa olosuhteissa.
• Paksukalvokeraaminen PCB: Paistettu korkeissa lämpötiloissa typpiatmosfäärissä sen jälkeen, kun keraaminen pohja on päällystetty dielektrisellä, kullalla, hopealla tai kuparilla, sopii hapettumisherkkiin sovelluksiin.

Milloin käyttää keraamisia piirilevyjä

Keraamiset piirilevyt ovat ihanteellisia sovelluksiin, jotka vaativat korkeaa lämmönkestävyyttä, kestävyyttä ja luotettavuutta. Ne soveltuvat käytettäväksi ankarissa ympäristöissä, korkean tehotiheyden piirirakenteissa ja korkean lämpötilan sovelluksissa, joissa perinteiset piirilevyt eivät ehkä kestä olosuhteita. Harkitse projektisi kustannuksia, painoa ja lämmönjohtavuusvaatimuksia, kun päätät, ovatko keraamiset piirilevyt oikea valinta.

Keraamisten piirilevyjen erinomainen lämmönjohtavuus tekee niistä soveltuvia sovelluksiin, joissa lämmönpoisto on kriittistä. Lisäksi niiden korkea mekaaninen lujuus sekä kemikaalien ja korroosionkestävyys tekevät niistä soveltuvia vaativiin ympäristöihin. Keraamiset piirilevyt ovat kuitenkin yleensä kalliimpia ja raskaampia kuin perinteiset piirilevyt, joten on tärkeää punnita näitä tekijöitä niiden etuihin nähden, joita ne tarjoavat tietylle sovellukselle.

Mistä löytää keraamisia piirilevyjä

Keraamisia piirilevyjä on saatavana useista lähteistä, sekä online- että offline-tilassa. Highleap Electronicin kaltaiset yritykset tarjoavat mukautettuja keraamisten piirilevyjen valmistuspalveluita, joiden avulla asiakkaat voivat räätälöidä tilauksensa erityisvaatimusten mukaan. Paikallisissa elektroniikkakaupoissa voi olla myös keraamisia piirilevyjä, vaikka valikoima voi olla rajallinen. Verkkokauppiailla, kuten AliExpress ja Alibaba, on usein ostettavissa laaja valikoima keraamisia piirilevyjä.

Kun hankit keraamisia piirilevyjä, on erittäin tärkeää suorittaa due diligence varmistaaksesi, että olet tekemisissä hyvämaineisen toimittajan kanssa. Huomioon otettavia tekijöitä ovat toimittajan historia, heidän tuotteidensa laatu ja kyky täyttää erityisvaatimukset. Harkitse lisäksi tekijöitä, kuten tilauksen kokoa, materiaalityyppiä ja toimituskuluja, kun teet päätöstä. Arvioimalla nämä tekijät huolellisesti voit löytää luotettavan toimittajan keraamisten piirilevyjen tarpeisiisi.

Yhteenveto

Keraamisista piirilevyistä on tullut alan standardi sähkökomponenteille niiden kestävyyden, luotettavuuden ja erinomaisen suorituskyvyn ansiosta perinteisiin piirilevyihin verrattuna. Keraamisten piirilevyjen materiaalien, tyyppien, etujen ja haittojen ymmärtäminen voi auttaa sinua tekemään tietoisia päätöksiä niiden käytöstä projekteissasi. Etsitpä sitten korkeaa lämmönkestävyyttä, lämmönjohtavuutta tai kestävyyttä, keraamiset piirilevyt tarjoavat käyttökelpoisen ratkaisun erilaisiin elektroniikkateollisuuden sovelluksiin.