بردهای مدار چاپی سرامیکی: مزایای بی‌نظیر اتلاف حرارت برای الکترونیک‌های پرقدرت

به عنوان دستگاه های الکترونیکی به سمت تراکم های قدرت بالاتر و عوامل فرم کوچکتر فشار می آورند، مدیریت گرما تبدیل به تنها چالش مهم در طراحی PCB شده است.FR-4 سنتی و حتی PCB هسته فلزی (MCPCBs) اغلب برای از بین بردن انرژی حرارتی تولید شده توسط اجزای مدرن مانند LED های با قدرت بالا تلاش می کننداین جایی است که PCB های سرامیکی درخشان هستند. با مقادیر رسانایی حرارتی 10 تا 100 برابر بالاتر از مواد معمولی،زیربناهای سرامیکی یک راه حل تبدیل کننده برای مدیریت گرما را ارائه می دهند، امکان عملکرد قابل اعتماد در برنامه هایی که در آن گرم شدن بیش از حد عملکرد را فلج می کند یا طول عمر را کوتاه می کند.
این راهنما بررسی می کند که چگونه PCB های سرامیکی به از بین رفتن گرما برتر دست می یابند، عملکرد آنها را با زیربناهای جایگزین مقایسه می کند،و بر صنعت هایی که بیشترین سود را از خواص منحصر به فرد خود می گیرند، تاکید می کند..

چرا انتشار گرما در الکترونیک مدرن اهمیت دارد؟
گرما دشمن قابلیت اطمینان الکترونیک است. انرژی حرارتی بیش از حد باعث:
1تخریب قطعات: نیمه هادی ها، ال ای دی ها و خازن ها در هنگام کار کردن بالاتر از دمای نامشخص خود از طول عمر کاهش می یابند. به عنوان مثال،افزایش ۱۰ درجه سانتیگراد در دمای اتصال می تواند طول عمر LED را تا ۵۰ درصد کاهش دهد..
2از دست دادن عملکرد: دستگاه های قدرت بالا مانند MOSFET ها و تنظیم کننده های ولتاژ با افزایش دمای هوا مقاومت و بهره وری را افزایش می دهند.
3خطرات ایمنی: گرما بدون کنترل می تواند منجر به فرار حرارتی، خطر آتش سوزی یا آسیب به اجزای اطراف شود.
در برنامه های کاربردی با قدرت بالا ٫ مانند اینورترهای وسایل نقلیه الکتریکی (EV) ، محرک های موتور صنعتی و ایستگاه های پایه 5G ٫ از بین رفتن گرما موثر فقط یک ملاحظه طراحی نیست.این یک نیاز حیاتی است.

چگونه PCBهای سرامیکی به انتشار گرمای برتر دست می یابند
PCB های سرامیکی از مواد سرامیکی غیر ارگانیک به عنوان زیربنای استفاده می کنند و مواد ارگانیک سنتی مانند اپوکسی FR-4 را جایگزین می کنند. عملکرد حرارتی استثنایی آنها ناشی از سه ویژگی کلیدی است:
1. رسانایی حرارتی بالا
رسانایی حرارتی (که در W / m · K اندازه گیری می شود) توانایی یک ماده برای انتقال گرما را توصیف می کند. زیربناهای سرامیکی از تمام مواد PCB رایج دیگر برتر هستند:

سرامیک های نیترید آلومینیوم (AlN) و کربید سیلیکون (SiC) ، به ویژه، فلزات رقیب مانند آلومینیوم (205 W / m · K) در رسانایی حرارتی، اجازه می دهد تا گرما به سرعت از اجزای داغ گسترش یابد.

2گسترش حرارتی کم (CTE)
ضریب گسترش حرارتی (CTE) اندازه گیری می کند که یک ماده در هنگام گرم شدن چقدر گسترش می یابد.زیربناهای سرامیکی دارای مقادیر CTE نزدیک به مس (17 ppm / °C) و مواد نیمه هادی مانند سیلیکون (3 ppm / °C) هستنداین به حداقل رساندن استرس حرارتی بین لایه ها منجر می شود، جلوگیری از لایه کشی و اطمینان از قابلیت اطمینان طولانی مدت حتی در طول چرخه های حرارتی مکرر.
به عنوان مثال، سرامیک آلومینیوم دارای CTE 7 ٪ 8 ppm / ° C است، بسیار نزدیک به مس از FR-4 (16 ٪ 20 ppm / ° C). این سازگاری خطر خستگی مفصل جوش در دستگاه های با قدرت بالا را کاهش می دهد.

3عایق برق
بر خلاف PCB های فلزی که نیاز به یک لایه دی الکتریک برای عایق کردن آثار مس از زیربنای فلزی دارند، سرامیک ها به طور طبیعی از نظر الکتریکی عایق کننده هستند (مقاومت حجم > 1014 Ω · cm).این مانع حرارتی توسط مواد دی الکتریک را از بین می برد، اجازه انتقال مستقیم گرما از آثار مس به بستر سرامیکی.

فرایندهای تولیدی برای PCB سرامیکی
PCB های سرامیکی با استفاده از تکنیک های تخصصی برای اتصال مس به زیربناهای سرامیکی تولید می شوند، هر کدام دارای مزایای منحصر به فرد هستند:
1مس مستقیم (DBC)
فرآیند: ورق مس در دمای بالا (۱،۰۶۵،۱،۰۸۳ درجه سانتیگراد) در یک جو کنترل شده به سرامیک متصل می شود.مس با اکسیژن واکنش نشان می دهد و یک لایه نازک اکسید مس را تشکیل می دهد که با سطح سرامیکی مخلوط می شود.
مزایا: ایجاد یک پیوند قوی و بدون خلا با رسانایی حرارتی عالی (بدون لایه چسب بین المللی).
بهترین برای: تولید حجم بالا از آلومینا و AlN PCB برای الکترونیک قدرت.

2برزینگ فلزی فعال (AMB)
فرآیند: یک آلیاژ بریزینگ (به عنوان مثال، مس-فضله-تایتانیوم) بین مس و سرامیک اعمال می شود، سپس به 800 ≈ 900 ° C گرم می شود. تیتانیوم موجود در آلیاژ با سرامیک واکنش نشان می دهد و یک پیوند قوی ایجاد می کند.
مزایا: با طیف گسترده ای از سرامیک ها (از جمله SiC) کار می کند و اجازه می دهد تا لایه های مس ضخیم تر (تا 1 میلی متر) برای کاربردهای جریان بالا باشد.
بهترین برای: PCB های سفارشی با قدرت بالا در هوافضا و دفاع

3تکنولوژی فیلم ضخیم
فرآیند: خمیرهای رسانا (فضل، مس) بر روی زیربناهای سرامیکی چاپ می شوند و در درجه حرارت 850 ∼ 950 درجه سانتیگراد برای تشکیل ردپای رسانا سوخته می شوند.
مزایا: طراحی های پیچیده و با تراکم بالا را با اندازه های ظریف ویژگی ها (50 × 100μm خطوط / فضاها) امکان پذیر می کند.
بهترین برای: PCB های سنسور، اجزای مایکروویو و ماژول های کوچک قدرت.

مزایای اصلی PCB سرامیکی فراتر از تبعید گرما
در حالی که از بین رفتن گرما قدرت اصلی آنها است، PCB سرامیکی مزایای اضافی را ارائه می دهد که آنها را در کاربردهای سخت ضروری می کند:
1مقاومت در برابر دمای بالا
سرامیک ها در دمای شدید (تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد برای آلومینا) یکپارچگی ساختاری را حفظ می کنند، که به مراتب از محدودیت های FR-4 (۱۳۰°C) یا حتی پلاستیک های Tg بالا (۲۰۰°C) فراتر می رود.این باعث می شود که آن ها برای:
الکترونیک خودرو زیر هود (۱۵۰ درجه سانتیگراد یا بیشتر)
کوره ها و کوره های صنعتی
سیستم های نظارت بر موتورهای هوافضا

2مقاومت شیمیایی و خوردگی
سرامیک ها نسبت به اکثر مواد شیمیایی، حلال ها و رطوبت بی اثر هستند و در محیط های خشن از زیربناهای آلی بهتر عمل می کنند. این مقاومت برای:
الکترونیک دریایی (عرض به آب شور)
تجهیزات پردازش مواد شیمیایی
دستگاه های پزشکی که نیاز به تعقیم دارند (آوتوکلاو، گاز EtO)

3عملکرد الکتریکی در فرکانس های بالا
زیربناهای سرامیکی دارای ثابت های دی الکتریک پایین (Dk = 8 ′′ 10 برای آلومینا ، 8 ′′ 9 برای AlN) و فاکتورهای انحلال پایین (Df < 0.001) هستند ، که از دست دادن سیگنال را در برنامه های فرکانس بالا (> 10GHz) به حداقل می رساند.این باعث می شود که آنها از FR-4 (Dk = 4) برتر باشند..248، Df = 0.02) برای:
ماژول های 5G و 6G RF
سیستم های رادار
تجهیزات ارتباطی مایکروویو

4قدرت مکانیکی
سرامیک ها سفت و با ابعاد پایدار هستند و در برابر فشار حرارتی یا مکانیکی مقاومت می کنند. این ثبات اطمینان از تراز دقیق اجزای:
سیستم های نوری (دیود های لیزر، فرستنده های فیبر نوری)
حسگرهای دقیق

کاربردهایی که بیشتر از PCB های سرامیکی سود می برند
PCB های سرامیکی در کاربردهایی که در آن گرما، قابلیت اطمینان یا مقاومت در برابر محیط بسیار مهم است، برجسته هستند:
1برق الکترونیک
اینورترها و کنورترهای EV: تبدیل قدرت باتری DC به AC برای موتورها، تولید گرما قابل توجهی (100 ¥ 500W). PCB های سرامیکی AlN با پیوند DBC گرما را 5 ¥ 10 برابر سریعتر از MCPCB ها از بین می برند.امکان پذیر کردن کوچک تر، طرح های کارآمدتر.
اینورترهای خورشیدی: کنترل جریان های بالا (50-100A) با حداقل از دست دادن انرژی. PCB های سرامیکی مقاومت حرارتی را کاهش می دهند.بهبود بهره وری اینورتر به میزان 1 ٪ 2 ٪ افزایش قابل توجهی در نصبات خورشیدی در مقیاس بزرگ.

2سیستم های LED و روشنایی
ال ای دی های با قدرت بالا (> 100 وات): چراغ های فلد استادیوم، لامپ های صنعتی بالا و سیستم های سخت سازی UV حرارت شدید تولید می کنند. PCB های سرامیکی آلومینیوم دمای اتصال را <100 ° C حفظ می کنند،طول عمر LED تا 100هزار ساعت بیشتر
چراغ های جلو خودرو: در برابر دمای زیر هود و ارتعاش مقاومت می کنند. PCB های سرامیکی عملکرد ثابت را در هر دو سیستم جایگزین هالوجن و پیشرفته ماتریس LED تضمین می کنند.

3هوافضا و دفاع
ماژول های رادار: در فرکانس های بالا (28 ′′ 40GHz) با تحمل های تنگ کار می کنند. PCB های سرامیکی SiC در حالی که گرما را از تقویت کننده های با قدرت بالا از بین می برند، یکپارچگی سیگنال را حفظ می کنند.
سیستم های هدایت موشک: مقاومت در برابر دماهای شدید (-55 ° C تا 150 ° C) و شوک مکانیکی. PCB های سرامیکی اطمینان از قابلیت اطمینان در برنامه های مهم ماموریت را تضمین می کنند.

4دستگاه های پزشکی
تجهیزات لیزر درمانی: لیزرهای با قدرت بالا (50 × 200 ولت) نیاز به مدیریت حرارتی دقیق برای حفظ ثبات پرتو دارند. PCB های سرامیکی از گرم شدن بیش از حد در دستگاه های دستی فشرده جلوگیری می کنند.
دستگاه های قابل کاشت: در حالی که به طور مستقیم در ایمپلنت ها استفاده نمی شود، PCB های سرامیکی در ماژول های قدرت خارجی (به عنوان مثال، برای تنظیم کننده های قلب) قابلیت سازگاری زیستی و قابلیت اطمینان طولانی مدت را ارائه می دهند.

ملاحظات هزینه: چه زمانی برای انتخاب PCB سرامیکی
PCBهای سرامیکی گران تر از زیربناهای سنتی هستند و هزینه ها با توجه به مواد و روش تولید متفاوت است:

در حالی که این یک جایزه 5 × 10 برابر FR-4 و 2 × 3 برابر MCPCB را نشان می دهد، هزینه کل مالکیت اغلب سرمایه گذاری در برنامه های کاربردی با قابلیت اطمینان بالا را توجیه می کند.

به عنوان مثال:
a. کاهش نرخ شکست قطعات هزینه های تضمین و تعویض را کاهش می دهد.
ب.فاکتورهای فرم کوچکتر (که با تبعید گرمای برتر امکان پذیر است) هزینه های کلی سیستم را کاهش می دهد.
ج.بهبودی بهره وری در سیستم های برق مصرف انرژی را در طول چرخه عمر محصول کاهش می دهد.

روند آینده در فناوری PCB سرامیکی
پیشرفت در مواد و تولید در حال گسترش قابلیت ها و مقرون به صرفه PCB سرامیکی است:
1زیرپوش های نازک: سرامیک های ضخیم 50-100μm باعث می شوند PCB های سرامیکی انعطاف پذیر برای الکترونیک پوشیدنی و سطوح منحنی شوند.
2طراحی های ترکیبی: ترکیب سرامیک با هسته های فلزی یا پلی آمید های انعطاف پذیر PCB هایی را ایجاد می کند که عملکرد حرارتی را با هزینه و انعطاف پذیری متعادل می کنند.
4. چاپ سه بعدی: تولید افزودنی سازه های سرامیکی اجازه می دهد تا بخاری های گرما پیچیده و کاربردی به طور مستقیم در PCB ادغام شوند.
5.الومینیوم با هزینه کمتر: تکنیک های جدید سینتر کردن هزینه های تولید نیترید آلومینیوم را کاهش می دهد و آن را برای کاربردهای قدرت متوسط با آلومینیوم رقابتی تر می کند.

سوالات عمومی
س: آیا PCB های سرامیکی شکننده هستند؟
ج: بله، سرامیک ها به طور ذاتی شکننده هستند، اما طراحی مناسب (به عنوان مثال، اجتناب از گوشه های تیز، استفاده از زیربناهای ضخیم تر برای پشتیبانی مکانیکی) خطر شکستن را به حداقل می رساند.تکنیک های پیشرفته تولید نیز مقاومت را بهبود می بخشد، با برخی از کامپوزیت های سرامیکی که مقاومت در برابر FR-4 را ارائه می دهند.

س: آیا می توان از PCB های سرامیکی با جوش بدون سرب استفاده کرد؟
A: مطمئناً. زیربناهای سرامیکی به دماهای بالاتر (260 ~ 280 ° C) که برای جوش بدون سرب مورد نیاز است مقاومت می کنند و آنها را با تولید سازگار با RoHS سازگار می کنند.

س: حداکثر ضخامت مس روی PCB سرامیکی چیست؟
A: با استفاده از فناوری AMB، لایه های مس با ضخامت 1 میلی متر می توانند به سرامیک متصل شوند، که آنها را برای برنامه های کاربردی با جریان بالا (100A +) مناسب می کند. فرآیندهای استاندارد DBC از مس 35 ′′ 300μm پشتیبانی می کنند.

س: PCB های سرامیکی در محیط های ارتعاش بالا چگونه عمل می کنند؟
A: PCB های سرامیکی با نصب مناسب (به عنوان مثال با استفاده از گاسکت های جذب شوک) در آزمایش لرزش (تا 20G) عملکرد خوبی دارند و با استانداردهای خودرو و هوافضا مطابقت دارند.CTE پایین آنها باعث کاهش خستگی مفصل جوش در مقایسه با FR-4 می شود.

س: آیا گزینه های PCB سرامیکی سازگار با محیط زیست وجود دارد؟
A: بله، بسیاری از سرامیک ها (الومینا، AlN) بی اثر و قابل بازیافت هستند و تولید کنندگان برای کاهش استفاده از مواد شیمیایی pasta های مبتنی بر آب را برای پردازش فیلم ضخیم توسعه می دهند.

نتیجه گیری
PCBهای سرامیکی استاندارد طلا برای تبعید گرما در الکترونیک های قدرتمند هستند، که رسانایی حرارتی، مقاومت در برابر دمای،و قابلیت اطمینان که زیربناهای سنتی نمی توانند با آن مطابقت داشته باشند.در حالی که هزینه های بالاتر آنها استفاده گسترده از دستگاه های مصرفی با قدرت کم را محدود می کند، مزایای عملکرد آنها آنها را در برنامه هایی که مدیریت گرما به طور مستقیم بر ایمنی تاثیر می گذارد، ضروری می کند.کارایی، و طول عمر
از آنجایی که الکترونیک همچنان کوچک می شود و نیاز به قدرت بیشتری دارد، PCB های سرامیکی نقش فزاینده ای در امکان نسل بعدی فناوری از وسایل نقلیه الکتریکی تا زیرساخت های 5G خواهند داشت.برای مهندسان و تولید کنندگان، درک توانایی های آنها کلید ایجاد نوآوری در مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان است.
نکته کلیدی: PCB های سرامیکی فقط یک جایگزین برتر برای زیربناهای سنتی نیستند.آنها یک تکنولوژی تحول پذیر هستند که چالش برانگیزترین مشکلات تبعید گرما را در الکترونیک مدرن حل می کنند، که دستگاه های کوچکتر، قدرتمندتر و طولانی مدت را امکان پذیر می کند.