PCB های سرامیکی - یک راهنمای کامل

بیشتر بردهای مدار سنتی از FR4 یا رزین اپوکسی به عنوان ماده پایه استفاده می‌کنند که برای محصولات الکترونیکی مصرفی معمولی مناسب است. با این حال، آنها اغلب در برابر شرایط توان و فرکانس بالا مقاومت نمی‌کنند. برای حل این مشکلات، مهندسان شروع به انتخاب PCB های سرامیکی کردند.

برد مدار سرامیکی جایگزین ساده‌ای برای PCB معمولی نیست، بلکه یک فناوری پیشرفته‌تر است. این برد دارای رسانایی حرارتی عالی، عایق الکتریکی و پایداری ابعادی است. به عبارت دیگر، PCB های زیرلایه سرامیکی همچنان می‌توانند در محیط‌های با دمای بالا، لرزش شدید یا خورنده به طور پایدار و قابل اعتمادی کار کنند و این امر آنها را برای زمینه‌هایی مانند هوافضا، دفاع، الکترونیک خودرو، تجهیزات پزشکی و ارتباطات 5G بسیار مناسب می‌کند.

در این راهنمای جامع، شما را با PCB سرامیکی به طور کامل آشنا خواهیم کرد: چیستی آن، ویژگی‌های آن، مواد و انواع رایج مورد استفاده، سناریوهای کاربردی خاص، فرآیندهای تولید و تفاوت‌های بین آن و FR4 و MCPCB.

برد مدار چاپی سرامیکی چیست؟

برد مدار چاپی سرامیکی نوع خاصی از برد مدار چاپی است. زیرلایه آن از رزین اپوکسی فایبرگلاس سنتی (FR4) ساخته نشده است، بلکه از مواد سرامیکی پیشرفته مانند آلومینا (Al₂O₃)، نیترید آلومینیوم (AlN)، اکسید بریلیم (BeO)، کاربید سیلیکون (SiC) یا نیترید بور (BN) ساخته شده است. در این بردها به جای مواد آلی از سرامیک استفاده می‌شود؛ بردهای مدار سرامیکی دارای خواصی هستند که بردهای مدار معمولی ندارند، مانند رسانایی حرارتی، عایق الکتریکی و مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی.

دقیقاً به دلیل همین ویژگی‌ها است که PCB های بستر سرامیکی به طور گسترده در الکترونیک پرقدرت، سیستم‌های RF و مایکروویو، هوافضا، تجهیزات دفاعی، ماژول‌های قدرت خودرو، روشنایی LED و سایر کاربردهایی که نیاز به قابلیت اطمینان بالا دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

برخلاف MCPCB (برد مدار چاپی با هسته فلزی) که برای کمک به دفع گرما به لایه‌های فلزی متکی است، یک PCB سرامیکی خود رسانایی حرارتی بالا را مستقیماً در زیرلایه خود ادغام می‌کند. این بدان معناست که معمولاً به هیت سینک اضافی نیاز ندارد، طراحی سیستم ساده‌تر است و همچنین می‌تواند از مدارهای کوچکتر و با چگالی بالاتر پشتیبانی کند.

به عبارت ساده، برد مدار چاپی سرامیکی صرفاً جایگزینی برای FR4 نیست، بلکه یک راهکار مداری نسل جدید و پیشرفته‌تر است. این برد می‌تواند عملکرد پایدار را در محیط‌های با دمای بالا، فرکانس بالا و خورنده حفظ کند، در حالی که قابلیت اطمینان بلندمدت را در کاربردهای حیاتی فراهم می‌کند.

ویژگی‌های کلیدی PCB های سرامیکی

عملکرد PCB های سرامیکی عمدتاً از ویژگی های برجسته زیر ناشی می شود:

هدایت حرارتی

قابل توجه‌ترین ویژگی یک PCB سرامیکی، اتلاف سریع گرما در آن است. رسانایی حرارتی یک برد مدار چاپی معمولی FR4 تنها حدود 0.3 W/m·K است، در حالی که رسانایی حرارتی اکسید آلومینا (Al₂O₃) می‌تواند به 20 تا 30 W/m·K برسد و رسانایی حرارتی نیترید آلومینیوم (AlN) حتی از 200 W/m·K نیز فراتر می‌رود. این بدان معناست که گرمای برد مدار چاپی سرامیکی می‌تواند 20 تا 100 برابر سریع‌تر از بردهای سنتی اتلاف شود و به طور مؤثر از گرم شدن بیش از حد قطعات جلوگیری کرده و قابلیت اطمینان را افزایش دهد.

عایق الکتریکی

یک زیرلایه PCB سرامیکی عایق الکتریکی بسیار خوبی دارد. موادی مانند آلومینا و نیترید آلومینیوم دارای تلفات دی الکتریک کم و ثابت دی الکتریک پایداری هستند که می‌توانند نشت سیگنال را کاهش دهند. این امر PCB های سرامیکی را به انتخابی ایده‌آل برای فرکانس رادیویی (RF)، مایکروویو و مدارهای دیجیتال پرسرعت تبدیل می‌کند و سیگنال‌های پایدار و قابل اعتماد را تضمین می‌کند.

ثبات ابعاد

بردهای مدار چاپی سرامیکی به سختی تحت تغییرات دما منبسط می‌شوند و ضریب انبساط حرارتی (CTE) آنها نزدیک به تراشه‌های سیلیکونی است. این امر باعث کاهش تنش چرخه حرارتی روی بردهای مدار و تراشه‌ها می‌شود و بردهای مدار چاپی سرامیکی را در بسته‌بندی نیمه‌هادی بسیار قابل اعتماد می‌کند.

قدرت مکانیکی

بردهای مدار چاپی سرامیکی ساختار محکمی دارند و می‌توانند در برابر لرزش، شوک و فشار مکانیکی مقاومت کنند. این دوام در زمینه‌هایی مانند هوافضا، الکترونیک خودرو و الکترونیک دفاعی از اهمیت بالایی برخوردار است.

مقاومت شیمیایی

برخلاف FR4 یا برخی از MCPCBها، PCBهای زیرلایه سرامیکی می‌توانند در برابر خوردگی ناشی از مواد شیمیایی، حلال‌ها و رطوبت مقاومت کنند. این امر باعث می‌شود PCBهای سرامیکی با خیال راحت در محیط‌های خشن مانند تجهیزات پزشکی، اتوماسیون صنعتی و انرژی مورد استفاده قرار گیرند.

مواد سرامیکی PCB

در طراحی PCB صنعتی، انتخاب مواد زیرلایه مستقیماً بر عملکرد برد مدار تأثیر می‌گذارد. مواد سرامیکی مختلف رسانایی حرارتی، خواص مکانیکی و عملکرد الکتریکی منحصر به فرد خود را دارند و بنابراین برای انواع مختلف کاربردهای الکترونیکی مناسب هستند.

جدول زیر چندین ماده سرامیکی رایج برای PCB را به همراه رسانایی حرارتی، ویژگی‌های اصلی و کاربردهای معمول آنها فهرست می‌کند که به عنوان مرجعی برای طراحی و انتخاب مواد عمل می‌کند.

انواع بردهای مدار چاپی سرامیکی

درباره PCBasic

زمان در پروژه‌های شما حکم پول را دارد – و PCBasic آن را دریافت می کند. PCاساسی هست یک شرکت مونتاژ PCB که هر بار نتایج سریع و بی‌نقصی ارائه می‌دهد. خدمات جامع ما خدمات مونتاژ PCB شامل پشتیبانی مهندسی متخصص در هر مرحله، تضمین کیفیت برتر در هر تخته. به عنوان یک پیشرو سازنده مونتاژ PCB, ما یک راهکار جامع ارائه می‌دهیم که زنجیره تأمین شما را ساده می‌کند. با تیم پیشرفته ما همکاری کنید کارخانه نمونه اولیه PCB برای تحویل سریع و نتایج عالی که می‌توانید به آنها اعتماد کنید.

کاربردهای PCB های سرامیکی

تطبیق پذیری PCB سرامیکی، آن را در بسیاری از صنایع ضروری می‌کند:

• روشنایی LED: ال‌ای‌دی‌های پرقدرت از زیرلایه‌های سرامیکی بهره می‌برند که نیاز به هیت‌سینک را از بین می‌برد.

• الکترونیک خودرو: در ECUها، مدیریت توان و ماژول‌های خودروهای برقی که در آن‌ها لرزش و گرما چالش‌برانگیز هستند، استفاده می‌شود.

• هوافضا و دفاع: ماژول‌های رادار، هدایت موشک، اویونیک - بردهای مدار سرامیکی قابل اعتماد در شرایط سخت.

• مخابرات: تقویت‌کننده‌های RF، مدارهای مایکروویو و زیرساخت‌های 5G برای یکپارچگی سیگنال به زیرلایه‌های سرامیکی PCB متکی هستند.

• تجهیزات پزشکی: تجهیزات کاشتنی و تشخیصی به PCB های سرامیکی زیست سازگار و مقاوم در برابر مواد شیمیایی نیاز دارند.

• الکترونیک قدرت صنعتی: اینورترها، مبدل‌ها و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر از بردهای مدار چاپی سرامیکی با زیرلایه توان بالا بهره‌مند می‌شوند.

• بسته‌بندی نیمه‌هادی: حامل‌های تراشه و میکروالکترونیک هیبریدی از بردهای مدار سرامیکی چندلایه برای چگالی بالا و کنترل حرارتی استفاده می‌کنند.

بررسی اجمالی فرآیند تولید

ساخت برد مدار چاپی سرامیکی فرآیند ساده‌ای نیست و شامل مراحل حرفه‌ای متعددی است که هر یک بر عملکرد و قابلیت اطمینان برد مدار نهایی تأثیر می‌گذارند.

۱. طراحی و چیدمان

اول، از نرم‌افزار CAD برای طراحی مدار استفاده کنید. مهندسان به طور خاص الزامات اتلاف گرما و عملکرد انتقال سیگنال فرکانس بالای PCB های سرامیکی را در نظر می‌گیرند تا اطمینان حاصل شود که طرح مدار هم معقول و هم قابل اعتماد است.

2. آماده سازی بستر

مواد زیرلایه سرامیکی (مواد رایج شامل Al₂O₃ و AlN) را به اندازه‌های مورد نیاز برش دهید و سپس آنها را صیقل داده و تمیز کنید. این مرحله برای اطمینان از صاف بودن سطح زیرلایه، عاری از گرد و غبار و ناخالصی‌ها و تسهیل فرآیندهای بعدی است.

۳. چاپ سیلک یا رسوب فیلم نازک

خمیرهای رسانا مانند نقره (Ag)، طلا (Au) و مس (Cu) روی سطح زیرلایه‌های سرامیکی چاپ می‌شوند تا ردپاهای مدار را تشکیل دهند. فرآیند لایه نازک همچنین می‌تواند لایه‌های رسانای ظریف‌تری را رسوب دهد و آن را برای مدارهای با دقت بالا مناسب کند.

۴. از طریق سوراخکاری و فلزکاری

از سوراخکاری لیزری یا مکانیکی برای ایجاد مسیرها در زیرلایه استفاده کنید. سپس، عملیات متالیزاسیون در داخل سوراخ انجام می‌شود تا اتصالات داخلی قابل اعتمادی بین لایه‌های مدار برقرار شود.

۵. انباشت و لایه لایه سازی

اگر برد مدار چاپی سرامیکی چند لایه باشد، زیرلایه‌های چند لایه دقیقاً تراز شده و روی هم لمینت می‌شوند تا یک ساختار چند لایه تشکیل دهند. این می‌تواند از اتصالات با چگالی بالا و طراحی‌های مدار پیچیده‌تر پشتیبانی کند.

۶. پخت/پخت

زیرلایه سرامیکی لمینت شده در یک کوره با دمای بالا قرار داده شده و در دمای 850 تا 1700 درجه سانتیگراد تف جوشی می‌شود تا لایه‌های سرامیکی و فلزی به طور محکم به هم متصل شوند و پایداری و استحکام برد مدار چاپی را تضمین کنند.

7. پایان سطح

پوشش‌های ENIG، ENEPIG، نقره غوطه‌وری یا قلع غوطه‌وری روی سطح برد مدار چاپی انجام می‌شوند. این عملیات‌ها می‌توانند عملکرد لحیم‌کاری را افزایش داده و از اکسید شدن لایه مس جلوگیری کنند.

۸. مونتاژ و آزمایش

قطعات نصب سطحی (SMD) را روی برد مدار نصب کنید تا عملکردهای اصلی مدار تکمیل شوند. پس از آن، آزمایش‌های الکتریکی و آزمایش‌های قابلیت اطمینان حرارتی نیز انجام خواهد شد تا اطمینان حاصل شود که PCB سرامیکی می‌تواند به طور عادی کار کند.

۹. پروفایلینگ و بسته‌بندی نهایی

مرحله آخر، برش یا ایجاد شیار V شکل روی برد مدار چاپی برای تکمیل پردازش شکل‌دهی است. محصولات نهایی تایید شده، بسته‌بندی شده و توسط تولیدکننده PCB سرامیکی برای ارسال آماده می‌شوند.

برد مدار چاپی سرامیکی در مقابل برد مدار چاپی FR4 و هسته فلزی

• FR4: ارزان اما در اتلاف گرما ضعیف است.

• MCPCB: تعادل هزینه و عملکرد.

• برد مدار چاپی سرامیکی: رسانایی حرارتی برتر، اما بسیار گران.

نتیجه

بردهای مدار چاپی سرامیکی انتخاب کلیدی برای مونتاژ الکترونیکی با کارایی بالا هستند. این بردها رسانایی حرارتی بالا، عملکرد الکتریکی عالی، دوام و مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی را با هم ترکیب می‌کنند و بنابراین در زمینه‌هایی مانند هوافضا، خودرو، مخابرات، دفاع، LED و تجهیزات پزشکی اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کنند.

اگرچه بردهای مدار چاپی سرامیکی گران‌تر از بردهای مدار چاپی FR4 یا هسته فلزی هستند و شکننده‌ترند، اما می‌توانند قابلیت اطمینان بلندمدت را افزایش دهند، الزامات اتلاف گرما را کاهش دهند و در نتیجه عمر مفید محصولات الکترونیکی را افزایش دهند و در کل هزینه‌ها را کاهش دهند.