طراحی PCB سرامیکی فقط به انتخاب یک ماده «با کارایی بالا» نیست، بلکه در مورد تبدیل نیازهای برنامه به جزئیات قابل اجرا است: انتخاب سرامیک مناسب برای بودجه حرارتی خود، بهینه سازی مسیریابی ردیابی برای کاهش 40 درصدی EMI یا پالایش از طریق طراحی برای زنده ماندن در 10000 چرخه حرارتی. بسیاری از مهندسان در «انتخاب AlN» یا «استفاده از LTCC» متوقف میشوند و تفاوتهای ظریفی را که یک طراحی «عملکردی» را به طراحی «مطمئن و مقرونبهصرفه» تبدیل میکند نادیده میگیرند.
این راهنمای 2025 شما را در سفر کامل بهینه سازی PCB سرامیکی راهنمایی می کند - از انتخاب مواد و استک آپ (مرحله اساسی) تا اجرای عملی (جزئیاتی که از خرابی جلوگیری می کند). ما 7 استراتژی بهینهسازی حیاتی را که توسط سازندگان برتر مانند LT CIRCUIT برای کاهش نرخ خرابی تا 80 درصد و کاهش هزینه کل مالکیت (TCO) تا 30 درصد استفاده میشود، تجزیه میکنیم. چه برای اینورترهای EV طراحی کنید، چه ایمپلنتهای پزشکی یا ماژولهای 5G mmWave، این نقشه راه به شما کمک میکند از مشکلات رایج اجتناب کنید و عملکرد PCB سرامیکی را به حداکثر برسانید.
خوراکی های کلیدی
1.انتخاب درست یا شکسته است: معاوضه بین هدایت حرارتی و هزینه را نادیده بگیرید (به عنوان مثال، AlN در مقابل Al2O3)، و یا 50% بیش از حد خرج خواهید کرد یا با نرخ شکست 30% مواجه خواهید شد.
2. قابلیت اطمینان درایو جزئیات حرارتی: 0.2 میلی متر حرارتی از طریق زمین (در مقابل 0.5 میلی متر) دمای نقطه داغ را تا 25 درجه سانتی گراد در اینورترهای EV کاهش می دهد.
3. بهینهسازی EMI اختیاری نیست: PCBهای سرامیکی برای کاهش 60 درصدی تداخل در طرحهای با فرکانس بالا، نیاز به ریختن مس زمیندار + قوطیهای محافظ دارند.
4. تغییرات مکانیکی از ترک خوردن جلوگیری می کند: پخ های لبه (شعاع 0.5 میلی متر) + کامپوزیت های انعطاف پذیر، خرابی های مربوط به شکنندگی سرامیکی را تا 90 درصد در کاربردهای مستعد ارتعاش کاهش می دهند.
5. همکاری سازنده بسیار مهم است: به اشتراک گذاری شبیه سازی های حرارتی از قبل از 20 درصد از خرابی های نمونه سازی جلوگیری می کند (مثلاً عدم تطابق پارامترهای پخت).
مقدمه: چرا بهینه سازی طراحی PCB سرامیکی با شکست مواجه می شود (و چگونه آن را تعمیر کنیم)
اکثر طرح های PCB سرامیکی نه به دلیل مواد ضعیف، بلکه به دلیل "شکاف های جزئیات" شکست می خورند:
الف. یک طراح اینورتر EV، AlN (170 W/mK) را انتخاب کرد، اما از گذرگاههای حرارتی صرفنظر کرد—نقاط داغ به 180 درجه سانتیگراد رسیدند و باعث شکست اتصال لحیم شدند.
b یک تیم ایمپلنت پزشکی زیست سازگار ZrO2 را انتخاب کرد اما از خمیدگی های تیز استفاده کرد - غلظت استرس منجر به ترک خوردن 25٪ PCB ها در طول کاشت شد.
مهندس cA 5G از LTCC برای mmWave استفاده کرد، اما کنترل امپدانس را نادیده گرفت - افت سیگنال به 0.8 دسی بل در اینچ (در مقابل هدف 0.3 دسی بل در اینچ) رسید که محدوده پوشش را فلج می کند.
راه حل؟ یک فرآیند بهینه سازی ساختاریافته که انتخاب (مواد، استک آپ) را به پیاده سازی (ویاس های حرارتی، مسیریابی ردیابی، تحمل های تولید) مرتبط می کند. در زیر، ما این فرآیند را به مراحل قابل اجرا تقسیم میکنیم - با پشتوانه دادهها، جداول و اصلاحات در دنیای واقعی.
فصل 1: بهینه سازی انتخاب PCB سرامیک - اساس موفقیت
انتخاب (مواد و انتخاب های پشته ای) اولین و حیاتی ترین مرحله بهینه سازی است. سرامیک اشتباهی را انتخاب کنید و هیچ تغییر جزییات طراحی شما را نجات نخواهد داد.
1.1 عوامل کلیدی انتخاب (فقط بر روی رسانایی حرارتی ثابت نکنید!)
| عامل |
چرا اهمیت دارد |
سوالاتی که باید قبل از انتخاب بپرسید |
| هدایت حرارتی |
اتلاف گرما را تعیین می کند (برای طراحی های با توان بالا حیاتی است). |
"آیا طراحی من به 170 W/mK (AlN) یا 24 W/mK (Al2O3) نیاز دارد؟" |
| دمای عملیاتی |
PCB های سرامیکی بالاتر از حداکثر دمای خود (مانند ZrO2 = 250 درجه سانتیگراد) تخریب می شوند. |
"آیا PCB از 200 درجه سانتیگراد فراتر خواهد رفت؟ (اگر بله، از Al2O3 اجتناب کنید.)" |
| زیست سازگاری |
طرح های قابل کاشت نیاز به انطباق با ISO 10993 دارند. |
"آیا این PCB برای کاشت انسان است؟ (اگر بله، فقط ZrO2.)" |
| ثبات فرکانس |
طرح های فرکانس بالا به ثابت دی الکتریک پایدار (Dk) نیاز دارند (به عنوان مثال، LTCC = 2±7.8٪). |
"آیا سیگنال ها از 10 گیگاهرتز فراتر می روند؟ (اگر بله، از Al2O3 اجتناب کنید.)" |
| بودجه هزینه |
AlN 2x Al2O3 هزینه دارد. ZrO2 3 برابر AlN هزینه دارد. |
"آیا می توانم با Al2O3 50٪ صرفه جویی کنم بدون اینکه عملکرد را کاهش دهم؟" |
| انعطاف پذیری مکانیکی |
سرامیک شکننده است – طرح های انعطاف پذیر نیاز به کامپوزیت دارند. |
"آیا PCB خم می شود؟ (اگر بله، از کامپوزیت های ZrO2-PI استفاده کنید.)" |
1.2 راهنمای انتخاب مواد سرامیکی (همراه با موارد کاربردی)
| جنس سرامیک |
ویژگی های کلیدی |
برنامه های کاربردی ایده آل |
اشتباهات انتخاب برای اجتناب از |
| نیترید آلومینیوم (AlN) |
170-220 W/mK، 15kV/mm قدرت دی الکتریک |
اینورترهای EV، تقویتکنندههای 5G، IGBTهای پرقدرت |
استفاده از AlN برای طراحی های کم مصرف (100 درصد بیش از حد خرج کردن). |
| اکسید آلومینیوم (Al2O3) |
24–29 W/mK، 2–$5/inq.in. هزینه |
سنسورهای صنعتی، روشنایی LED، اینورترهای کم مصرف |
استفاده از Al2O3 برای طرح های بیش از 100 وات (خطر گرمای بیش از حد). |
| زیرکونیا (ZrO2) |
مطابق با ISO 10993، مقاومت خمشی 1200-1500 مگاپاسکال |
ایمپلنت های پزشکی، دستگاه های دندانپزشکی |
استفاده از ZrO2 برای طراحی های با قدرت بالا (رسانایی حرارتی کم). |
| LTCC (بر پایه Al2O3) |
Dk=7.8 پایدار، غیرفعال های جاسازی شده |
ماژول های 5G mmWave، فرستنده گیرنده میکرو RF |
استفاده از LTCC برای محیط های >800 درجه سانتیگراد (بیش از 850 درجه سانتیگراد تخریب می شود). |
| HTCC (مبتنی بر Si₃N4) |
مقاومت 1200 درجه سانتی گراد، سخت شدن تابش 100 کراد |
سنسورهای هوافضا، مانیتورهای هسته ای |
استفاده از HTCC برای طراحی های حساس به هزینه (5 برابر گران تر از Al2O3). |
1.3 بهینه سازی انتخاب لایه پشته
پشتهبندی PCB سرامیکی فقط «افزودن لایهها» نیست، بلکه در مورد متعادل کردن جریان حرارتی، یکپارچگی سیگنال و هزینه است. در زیر استک آپ های بهینه سازی شده برای برنامه های کاربردی کلیدی آورده شده است:
نمونه پشتهها برای موارد استفاده هدفمند
| کاربرد |
لایه پشته |
منطق |
| اینورتر EV (AlN DCB) |
بالا: 2 اونس مس (ردهای قدرت) → بستر AlN (0.6 میلی متر) → پایین: 2 اونس مس (سطح زمین) |
جریان حرارتی را از ردپای نیرو به زیرلایه به حداکثر می رساند. مس ضخیم جریان بالایی را کنترل می کند. |
| 5G mmWave (LTCC) |
لایه 1: آثار RF (Cu) → لایه 2: زمین → لایه 3: خازن جاسازی شده → لایه 4: زمین → لایه 5: آثار RF |
هواپیماهای زمینی سیگنال های RF را جدا می کنند. پسیوهای تعبیه شده اندازه را تا 40 درصد کاهش می دهند. |
| ایمپلنت پزشکی (ZrO2) |
بالا: 1 اونس طلا (سازگار زیستی) → بستر ZrO2 (0.3 میلی متر) → پایین: 1 اونس طلا (زمین) |
بستر نازک اندازه ایمپلنت را کاهش می دهد. طلا زیست سازگاری را تضمین می کند. |
نکته بهینه سازی استک آپ:
برای طراحیهای پرقدرت، صفحات زمین را مستقیماً زیر خطوط برق قرار دهید - این امر مقاومت حرارتی را 30٪ در مقایسه با هواپیماهای افست کاهش میدهد. برای طرحهای RF، لایههای سیگنال ساندویچ بین سطوح زمین (پیکربندی خط خطی) برای کاهش EMI تا 50٪.
فصل 2: بهینه سازی طراحی حرارتی - PCB های سرامیکی را خنک و قابل اطمینان نگه دارید
بزرگترین مزیت PCB های سرامیکی رسانایی حرارتی است - اما طراحی حرارتی ضعیف 50٪ از این مزیت را هدر می دهد. در زیر جزئیاتی وجود دارد که باعث ایجاد یا شکسته شدن اتلاف گرما می شود.
2.1 محاسبه مقاومت حرارتی (اعداد خود را بدانید!)
مقاومت حرارتی (Rθ) تعیین می کند که PCB سرامیکی شما چقدر گرما را به طور موثر دفع می کند. از این فرمول برای زیرلایه های سرامیکی استفاده کنید:
Rθ (°C/W) = ضخامت بستر (mm) / (رسانایی حرارتی (W/mK) × مساحت (m²))
مثال: AlN در مقابل مقاومت حرارتی Al2O3
| نوع سرامیکی |
ضخامت |
منطقه |
هدایت حرارتی |
Rθ (°C/W) |
دمای نقطه داغ (100 وات) |
| AlN |
0.6 میلی متر |
50mm×50mm |
180 W/mK |
0.13 |
13 درجه سانتی گراد بالاتر از محیط |
| Al2O3 |
0.6 میلی متر |
50mm×50mm |
25 W/mK |
0.96 |
96 درجه سانتی گراد بالاتر از محیط |
بینش کلیدی: Rθ کمتر AlN دمای نقطه داغ را تا 83 درصد کاهش میدهد که برای اینورترهای EV و تقویتکنندههای 5G حیاتی است.
2.2 بهینه سازی حرارتی از طریق (جزئیات شماره 1 برای انتشار گرما)
راههای حرارتی گرما را از ردپای بالا به سطوح پایین زمین منتقل میکنند – اما اندازه، زمین و کمیت آنها بیش از آنچه فکر میکنید اهمیت دارد:
| پارامتر از طریق حرارتی |
بهینه نشده (0.5 میلی متر زمین، 0.2 میلی متر قطر) |
بهینه شده (0.2mm گام، 0.3mm قطر) |
تاثیر |
| راندمان انتقال حرارت |
40 درصد حداکثر |
90 درصد حداکثر |
دمای نقطه داغ 25 درجه سانتیگراد کاهش یافت (طراحی 100 وات) |
| مقاومت حرارتی (Rθ) |
0.45 درجه سانتی گراد / وات |
0.18 درجه سانتی گراد / W |
کاهش 60 درصدی Rθ |
| امکان سنجی ساخت |
آسان (حفاری مکانیکی) |
نیاز به حفاری لیزری دارد |
حداقل افزایش هزینه (+10%) |
قوانین بهینه سازی برای ویزای حرارتی:
1. Pitch: 0.2-0.3mm برای مناطق پرقدرت (اینورترهای EV). 0.5 میلی متر برای طرح های کم مصرف (حسگر).
2. قطر: 0.3 میلی متر (دریل شده با لیزر) برای AlN/LTCC. از قطرهای کمتر از 0.2 میلی متر (خطر گرفتگی در حین آبکاری) اجتناب کنید.
3. مقدار: 1 گرما را در هر 10 میلیمتر مربع از منطقه داغ قرار دهید (مثلاً 25 ویا برای یک IGBT 5 میلیمتری در 5 میلیمتر).
2.3 ادغام مواد هیت سینک و رابط
حتی بهترین PCB سرامیکی برای طرح های بیش از 100 وات نیاز به هیت سینک دارد. بهینه سازی رابط برای از بین بردن شکاف های حرارتی:
| مواد رابط |
مقاومت حرارتی (°C·in/W) |
بهترین برای |
نکته بهینه سازی |
| گریس حرارتی |
0.005-0.01 |
اینورترهای برقی، منابع تغذیه صنعتی |
ضخامت 0.1 میلی متر (بدون حباب هوا) اعمال کنید. |
| پد حرارتی |
0.01-0.02 |
ایمپلنت های طبی (بدون نشت گریس) |
ضخامت 0.3 میلی متر را انتخاب کنید (فشرده سازی تا 0.1 میلی متر تحت فشار). |
| ماده تغییر فاز |
0.008-0.015 |
ایستگاه های پایه 5G (محدوده دمای وسیع) |
در دمای 60 درجه سانتیگراد فعال شود (مطابق با دمای معمولی عملکرد). |
مطالعه موردی: EV Inverter Thermal Optimization
بردهای مدار چاپی AlN DCB یک سازنده برای اینورترهای 800 ولتی به دلیل نقاط داغ 180 درجه سانتیگراد، نرخ خرابی 12٪ داشتند.
بهینه سازی های اجرا شده:
1. افزودن گذرگاههای حرارتی 0.3 میلیمتری (0.2 میلیمتر زمین) تحت IGBT.
2. گریس حرارتی استفاده شده (ضخامت 0.1 میلی متر) + یک هیت سینک آلومینیومی.
3. افزایش عرض رد مس از 2 میلی متر به 3 میلی متر (کاهش تلفات هدایت).
نتیجه: دمای نقطه داغ به 85 درجه سانتیگراد کاهش یافت. نرخ شکست به 1.2٪ کاهش یافت.
فصل 3: بهینه سازی طراحی EMI/EMC - سیگنال ها را تمیز نگه دارید
PCB های سرامیکی عملکرد EMI بهتری نسبت به FR4 ارائه می دهند - اما همچنان برای جلوگیری از تداخل و تداخل به بهینه سازی نیاز دارند، به خصوص در طراحی های با فرکانس بالا.
3.1 بهینه سازی سطح زمین (بنیاد کنترل EMI)
یک صفحه زمین جامد غیرقابل مذاکره است - اما جزئیاتی مانند پوشش و دوخت راهاندازی تفاوت را ایجاد میکند:
| تمرین هواپیمای زمینی |
بهینه نشده (50% پوشش، بدون دوخت) |
بهینه شده (90% پوشش، دوخت از طریق) |
کاهش EMI |
| منطقه تحت پوشش |
50٪ از سطح PCB |
90 درصد از سطح PCB |
EMI تابشی 30 درصد کمتر |
| دوخت ویاس |
هیچ کدام |
هر 5 میلی متر در امتداد لبه ها |
40 درصد تداخل کمتر |
| تقسیم هواپیما زمینی |
تقسیم برای آنالوگ / دیجیتال |
صفحه تک (اتصال تک نقطه ای) |
50٪ صدای حلقه زمین کمتر |
قانون سرانگشتی:
برای طرحهای RF/5G، پوشش سطح زمین باید از 80 درصد تجاوز کند - و از دوخت دوخت (قطر 0.3 میلیمتر) هر 5 میلیمتر برای ایجاد «قفس فارادی» در اطراف آثار حساس استفاده کنید.
3.2 مسیریابی ردیابی برای EMI پایین
مسیریابی ردیابی ضعیف مزایای EMI طبیعی PCBهای سرامیکی را تضعیف می کند. این جزئیات را دنبال کنید:
| تمرین مسیریابی ردیابی |
بهینه نشده (خم 90 درجه، دویدن موازی) |
بهینه شده (45 درجه خم، دویدن متعامد) |
EMI Impact |
| زاویه خم |
90 درجه (تیز) |
45 درجه یا منحنی (شعاع = 2× عرض ردیابی) |
25% بازتاب سیگنال کمتر |
| فاصله اجرای موازی |
1× عرض ردیابی |
3× عرض ردیابی |
60 درصد تداخل کمتر |
| تطابق طول جفت دیفرانسیل |
± 0.5 میلی متر عدم تطابق |
± 0.1 میلی متر عدم تطابق |
30٪ تغییر فاز کمتر (5G میلی متر موج) |
| طول ردیابی RF |
100 میلی متر (بدون محافظ) |
<50 میلی متر (حفاظ دار) |
40 درصد کاهش سیگنال کمتر |
3.3 بهینه سازی محافظ (برای محیط های با تداخل بالا)
برای طرحهای 5G، هوافضا یا صنعتی، محافظ اضافه کنید تا EMI را تا 60 درصد کاهش دهید:
| روش محافظ |
بهترین برای |
جزئیات پیاده سازی |
کاهش EMI |
| محافظ پور مس |
آثار RF، ماژول های کوچک |
ردی فراگیر با مس زمین شده (فاصله 0.5 میلی متر) |
30-40٪ |
| قوطی محافظ فلزی |
5G میلیمتر موج، تقویتکنندههای پرقدرت |
لحیم کاری به صفحه زمین (بدون شکاف) |
50-60٪ |
| دانه های فریت |
خطوط برق، سیگنال های دیجیتال |
روی ورودی های برق (1000Ω @ 100MHz) |
20-30٪ |
مثال: بهینه سازی 5G MmWave EMI
یک طراحی سلول کوچک 5G با استفاده از LTCC 0.8 دسی بل در اینچ سیگنال از دست دادن به دلیل EMI داشت.
اصلاحات اعمال شده:
1. اضافه شدن 0.5 میلی متر مس زمین شده در اطراف آثار RF.
2. نصب یک قوطی محافظ فلزی (لحیم شده به سطح زمین) روی تراشه mmWave.
3. طول جفت دیفرانسیل مطابق با ± 0.1 میلی متر.
نتیجه: کاهش سیگنال به 0.3 دسی بل در اینچ کاهش یافت. تابش EMI استانداردهای CISPR 22 کلاس B را برآورده کرد.
فصل 4: بهینه سازی طراحی مکانیکی و قابلیت اطمینان - جلوگیری از ترک خوردگی سرامیک
سرامیک ذاتاً شکننده است - بهینه سازی مکانیکی را نادیده بگیرید و PCB شما در هنگام مونتاژ یا استفاده ترک خواهد خورد. در زیر جزئیاتی وجود دارد که دوام را افزایش می دهد.
4.1 بهینه سازی لبه و گوشه (کاهش تمرکز استرس)
لبه ها و گوشه های تیز به عنوان افزایش دهنده استرس عمل می کنند - آنها را برای جلوگیری از ترک خوردن بهینه کنید:
| طراحی لبه/گوشه |
بهینه نشده (لبه های تیز، گوشه های 90 درجه) |
بهینه شده (پخ 0.5 میلی متر، گوشه های گرد) |
تاثیر بر ترک خوردگی |
| قدرت خمشی |
350 مگاپاسکال (AlN) |
500 مگاپاسکال (AlN) |
43 درصد مقاومت بالاتر در برابر خمش |
| بقای دوچرخهسواری حرارتی |
500 چرخه (40- تا 150 درجه سانتی گراد) |
10000 چرخه |
20 برابر طول عمر بیشتر |
| بازده مونتاژ |
85% (ترک در حین جابجایی) |
99% |
14 درصد بازدهی بالاتر |
نکته بهینه سازی:
برای همه PCB های سرامیکی، یک پخ 0.5 میلی متری به لبه ها و شعاع 1 میلی متری به گوشه ها اضافه کنید. برای طرحهای EV/هوا فضا، به پخ 1 میلیمتری ارتقا دهید (بهتر لرزش را کنترل میکند).
4.2 بهینه سازی کامپوزیت سرامیکی انعطاف پذیر (برای طرح های قابل خم شدن)
سرامیک خالص نمی تواند خم شود - از کامپوزیت های ZrO2-PI یا AlN-PI برای کاربردهای پوشیدنی/کاشتنی استفاده کنید:
| نوع مرکب |
انعطاف پذیری (چرخه های خمشی) |
هدایت حرارتی |
بهترین برای |
| ZrO2-PI (0.1mm) |
100000+ (شعاع 1 میلی متر) |
2-3 W/mK |
ایمپلنت های پزشکی، چسب های انعطاف پذیر ECG |
| AlN-PI (0.2mm) |
50000+ (شعاع 2 میلی متر) |
20-30 W/mK |
ماژول های تاشو 5G، سنسورهای منحنی |
قانون طراحی کامپوزیت ها:
شعاع خمشی ≥2× ضخامت کامپوزیت را حفظ کنید (به عنوان مثال، شعاع 0.2 میلی متر برای 0.1 میلی متر ZrO2-PI) برای جلوگیری از ترک خوردن.
4.3 بهینه سازی چرخه حرارتی (بقا در دماهای شدید)
PCB های سرامیکی به طور متفاوتی نسبت به مس منبسط/انقباض می شوند - این باعث ایجاد استرس در طول چرخه حرارتی می شود. بهینه سازی برای جلوگیری از لایه برداری:
| تمرین دوچرخه سواری حرارتی |
بهینه نشده (رمپ 20 درجه سانتیگراد در دقیقه) |
بهینه شده (رمپ 5 درجه سانتیگراد در دقیقه) |
نتیجه |
| نرخ شیب دار |
20 درجه سانتیگراد در دقیقه |
5 درجه سانتیگراد در دقیقه |
70% تنش حرارتی کمتر |
| زمان را در حداکثر دما نگه دارید |
5 دقیقه |
15 دقیقه |
خروجی رطوبت 50 درصد کمتر |
| سرعت خنک شدن |
کنترل نشده (15 درجه سانتیگراد در دقیقه) |
کنترل شده (5 درجه سانتیگراد در دقیقه) |
80٪ خطر لایه برداری کمتر |
مطالعه موردی: بهینهسازی مکانیکی حسگر هوافضا
یک PCB Si3N4 HTCC برای سنسورهای ماهوارهای که در 30 درصد تستهای چرخه حرارتی (55- تا 120 درجه سانتیگراد) ترک خورده است.
اصلاحات اعمال شده:
1.پخ های لبه 1 میلی متری اضافه شده است.
2. کاهش نرخ رمپ حرارتی به 5 درجه سانتیگراد در دقیقه.
3. استفاده از هادی تنگستن-مولیبدن (منطبق بر ضریب انبساط حرارتی Si3N4، CTE).
نتیجه: 0% ترک بعد از 10000 چرخه.
فصل 5: پیاده سازی تولید - تبدیل طراحی به واقعیت
حتی بهترین طراحی هم اگر قابل ساخت نباشد شکست می خورد. برای بهینه سازی این جزئیات مهم با سازنده PCB سرامیکی خود همکاری کنید:
5.1 کنترل تحمل ( PCB های سرامیکی کمتر از FR4 بخشنده هستند)
تولید سرامیک به تحملهای سختتر نیاز دارد - آنها را نادیده بگیرید، و طرح شما مناسب یا اجرا نمیشود:
| پارامتر |
تحمل FR4 |
تحمل مدار چاپی سرامیکی |
چرا اهمیت دارد |
| ضخامت لایه |
± 10% |
± 5٪ (AlN/LTCC) |
تضمین می کند که مقاومت حرارتی در 10٪ از هدف باقی بماند. |
| عرض ردیابی |
± 0.1 میلی متر |
± 0.05 میلی متر (لایه نازک) |
کنترل امپدانس (50Ω ± 2٪) را حفظ می کند. |
| از طریق موقعیت |
± 0.2 میلی متر |
± 0.05 میلی متر (دریل شده با لیزر) |
از ناهماهنگی از طریق ردیابی جلوگیری می کند (علت باز می شود). |
نکته:
مدل های سه بعدی را با سازنده خود به اشتراک بگذارید تا تلورانس ها را تأیید کنید. برای مثال، LT CIRCUIT از تطبیق CAD برای اطمینان از 0.03± میلی متر از طریق تراز استفاده می کند.
5.2 نمونه سازی و اعتبارسنجی (آزمایش قبل از تولید انبوه)
نادیده گرفتن نمونه سازی منجر به نرخ شکست تولید انبوه 20% می شود. روی این تست های حیاتی تمرکز کنید:
| نوع تست |
هدف |
معیار قبولی/شکست |
| تصویربرداری حرارتی |
نقاط داغ را شناسایی کنید. |
بدون نقطه بیش از 10 درجه سانتی گراد بالاتر از شبیه سازی. |
| بازرسی اشعه ایکس |
بررسی از طریق پر کردن و تراز لایه. |
بدون حفره بیش از 5% حجم از طریق. |
| چرخه حرارتی |
تست دوام تحت نوسانات دما |
بدون لایه لایه شدن بعد از 1000 سیکل. |
| تست EMI |
اندازه گیری انتشار تشعشعات |
با CISPR 22 (مصرف کننده) یا MIL-STD-461 (هوا فضا) آشنا شوید. |
5.3 سازگاری مواد (جلوگیری از فرآیندهای ناسازگار)
PCB های سرامیکی به مواد سازگار نیاز دارند - به عنوان مثال، استفاده از خمیر نقره در HTCC (در دمای 1800 درجه سانتیگراد پخته شده) خمیر را ذوب می کند.
| نوع سرامیک |
هادی های سازگار |
هادی های ناسازگار |
| AlN DCB |
مس (پیوند DCB)، طلا (لایه نازک) |
نقره (در دمای پیوند DCB ذوب می شود). |
| LTCC |
نقره-پالادیوم (850 درجه سانتیگراد تف جوشی) |
تنگستن (نیازمند تف جوشی 1500 درجه سانتیگراد). |
| HTCC (Si3N4) |
تنگستن-مولیبدن (1800 درجه سانتیگراد تف جوشی) |
مس (در دمای HTCC اکسید می شود). |
| ZrO2 |
طلا (زیست سازگار) |
مس (سمی برای ایمپلنت). |
فصل 6: مطالعه موردی - بهینه سازی طراحی PCB سرامیکی سرامیک (اینورتر EV)
بیایید همه اینها را با یک مثال واقعی از بهینه سازی PCB AlN DCB برای یک اینورتر EV 800 ولت با هم گره بزنیم:
6.1 مرحله انتخاب
a.Challenge: به رسانایی حرارتی 170+ W/mK، عایق 800 ولت و 3 تا 6 دلار در متر مربع نیاز دارید. بودجه
b.Selection: AlN DCB (180 W/mK، 15kV/mm قدرت دی الکتریک) با ضخامت بستر 0.6mm.
c.Stackup: بالا (2 اونس ردیاب قدرت مس) ← بستر AlN ← پایین (سطح زمین مس 2oz).
6.2 بهینه سازی حرارتی
الف. افزودن ورودی های حرارتی 0.3 میلی متری (پیچ 0.2 میلی متری) زیر IGBT های 5 میلی متری 5 میلی متری (25 ویز در هر IGBT).
c. گریس حرارتی یکپارچه (ضخامت 0.1 میلی متر) + یک هیت سینک آلومینیومی (100 میلی متر × 100 میلی متر).
6.3 بهینه سازی EMI
الف. به 90 درصد پوشش سطح زمین با دوخت دوخت (قطر 0.3 میلی متر، فاصله 5 میلی متر) دست یافت.
b. ردیابی قدرت مسیریابی متعامد به سیگنال سیگنال (فاصله 3 میلی متر) برای جلوگیری از تداخل.
6.4 بهینه سازی مکانیکی
الف.پخ های لبه 0.5 میلی متری برای کنترل لرزش 10G اضافه شده است.
ب. استفاده از چرخه حرارتی کنترل شده (5 درجه سانتیگراد در دقیقه رمپ) در طول تولید.
6.5 نتیجه
a. دمای نقطه داغ: 85 درجه سانتی گراد (در مقابل 180 درجه سانتی گراد بهینه نشده).
b. نرخ شکست: 1.2% (در مقابل 12% غیربهینه).
c.TCO: 35 دلار / PCB (در مقابل 50 دلار برای ZrO2 بیش از حد تعیین شده).
فصل 7: روندهای آینده - هوش مصنوعی و چاپ سه بعدی طراحی PCB سرامیکی را تبدیل می کند
بهینهسازی در حال تکامل است - آنچه در افق است در اینجا آمده است:
7.1 طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی
ابزارهای یادگیری ماشین (مانند Ansys Sherlock + AI) اکنون:
الف. نقاط داغ حرارتی را با دقت 95 درصد پیش بینی کنید (زمان شبیه سازی را 60 درصد کاهش می دهد).
b.بهینه سازی خودکار حرارتی از طریق قرار دادن (10 برابر سریعتر از طراحی دستی).
7.2 PCBهای سرامیکی چاپ سه بعدی
ساخت افزودنی امکان:
الف. اشکال پیچیده (به عنوان مثال، AlN منحنی برای بستههای باتری EV) با 30٪ ضایعات مواد کمتر.
ب. کانال های حرارتی تعبیه شده (قطر 0.1 میلی متر) برای اتلاف گرما 40 درصد بهتر.
7.3 سرامیک های خود ترمیم شونده
میکروکپسول ها (پر شده با رزین سرامیکی) تعبیه شده در بسترها به طور خودکار ترک ها را ترمیم می کنند و طول عمر را تا 200٪ در کاربردهای صنعتی افزایش می دهند.
فصل 8: سؤالات متداول - سؤالات بهینه سازی طراحی PCB سرامیک
Q1: چگونه می توانم هدایت حرارتی و هزینه را در هنگام انتخاب متعادل کنم؟
A1: از Al2O3 برای طرحهای کمتر از 100 وات (24 W/mK، 2-$5/sq.in.) و AlN برای بیش از 100W (180 W/mK، 3-$6/insq.in.) استفاده کنید. از ZrO2/HTCC اجتناب کنید مگر اینکه زیست سازگاری یا مقاومت در برابر تشعشع اجباری باشد.
Q2: بزرگترین اشتباه در طراحی حرارتی PCB سرامیکی چیست؟
A2: ورودی های حرارتی ناکافی یا ادغام ضعیف هیت سینک. یک IGBT 5mm×5mm برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد به 25+ 0.3mm ویا حرارتی نیاز دارد.
Q3: آیا می توانم قوانین طراحی FR4 را برای PCB های سرامیکی اعمال کنم؟
A3: خیر—سرامیک به تلرانس های سخت تری نیاز دارد (0.05± در مقابل ±0.1 میلی متر برای FR4)، چرخه حرارتی کندتر، و پوشش سطح زمین بالاتر (80% در مقابل 50%).
Q4: چگونه می توانم PCB سرامیکی را برای ایمپلنت های پزشکی بهینه کنم؟
A4: از ZrO2 (مطابق با ISO 10993)، ضخامت 0.1mm-0.3mm، هادی های طلایی و کامپوزیت های انعطاف پذیر برای طرح های خم شونده استفاده کنید. از لبه های تیز (شعاع 1 میلی متر) اجتناب کنید.
Q5: بهترین راه برای همکاری با تولید کننده PCB سرامیکی چیست؟
A5: شبیهسازیهای حرارتی، مدلهای سه بعدی و مشخصات برنامه (دما، قدرت) را زود به اشتراک بگذارید. LT CIRCUIT بررسی های DFM (Design for Manufacturability) را برای رفع مشکلات قبل از نمونه سازی ارائه می دهد.
نتیجه گیری: بهینه سازی یک فرآیند است (نه یک مرحله یکباره)
بهینهسازی طراحی PCB سرامیکی در مورد مواد «کامل» نیست، بلکه مربوط به پیوند دادن انتخاب (AlN در مقابل Al2O3، stackup) به پیادهسازی (ویاسهای حرارتی، مسیریابی ردیابی، تحملهای تولید) است. 7 مرحله در این راهنما - از انتخاب مواد گرفته تا تغییرات مکانیکی - نرخ خرابی را تا 80٪ کاهش می دهد و TCO را 30٪ کاهش می دهد، چه برای خودروهای برقی، ایمپلنت های پزشکی یا 5G طراحی کنید.
غذای کلیدی؟ در "انتخاب سرامیک" متوقف نشوید - جزئیات را بهینه کنید. یک گام حرارتی 0
پیام شما باید بین 20 تا 3000 کاراکتر باشد!
