تولید برد مدار چاپی سرامیکی چند لایه: راهنمای جامع مواد، فرآیندها و کاربردها

بردهای مدار چاپی سرامیکی چند لایه (PCB) به عنوان یک فناوری حیاتی برای الکترونیک با دمای بالا، فرکانس بالا و قابلیت اطمینان بالا ظهور کرده اند. بر خلاف PCB های سنتی FR-4 که به زیرلایه های آلی متکی هستند، PCB های سرامیکی از مواد غیر آلی مانند آلومینا (Al₂O₃) یا نیترید آلومینیوم (AlN) برای ارائه هدایت حرارتی برتر، مقاومت شیمیایی و پایداری مکانیکی استفاده می کنند. این خواص آنها را در کاربردهایی از حسگرهای هوافضا گرفته تا الکترونیک قدرت، که در آن عملکرد در شرایط سخت غیرقابل مذاکره است، ضروری می کند.

این راهنما یک نمای کلی دقیق از تولید PCB سرامیکی چند لایه ارائه می دهد که شامل انتخاب مواد، مراحل ساخت، مزایای کلیدی و کاربردهای صنعتی است. چه مهندسی باشید که برای محیط های سخت طراحی می کنید یا تولید کننده ای که تولید را مقیاس بندی می کنید، درک ظرافت های تولید PCB سرامیکی برای باز کردن پتانسیل کامل آنها ضروری است.

چرا PCB های سرامیکی چند لایه؟
PCB های سرامیکی محدودیت های حیاتی PCB های مبتنی بر مواد آلی را برطرف می کنند، به ویژه در سناریوهای پر تقاضا:
1. مدیریت حرارتی: زیرلایه های سرامیکی گرما را 10 تا 100 برابر بهتر از FR-4 هدایت می کنند (به عنوان مثال، AlN دارای 180 تا 220 W/m·K در مقابل 0.2 تا 0.4 W/m·K FR-4 است)، و از گرم شدن بیش از حد در دستگاه های پرقدرت مانند ماژول های LED و تقویت کننده های قدرت جلوگیری می کند.
2. پایداری در دمای بالا: مواد سرامیکی خواص مکانیکی و الکتریکی خود را در دماهای تا 1000 درجه سانتیگراد حفظ می کنند، بر خلاف FR-4 که در بالای 130 درجه سانتیگراد تخریب می شود.
3. عملکرد با فرکانس بالا: تلفات دی الکتریک کم (Df < 0.001 در 10 گیگاهرتز برای Al₂O₃) آنها را برای 5G، رادار و ارتباطات ماهواره ای ایده آل می کند.4. مقاومت شیمیایی: سرامیک نسبت به حلال ها، روغن ها و گازهای خورنده بی اثر است، که برای کاربردهای صنعتی و خودرویی زیر کاپوت بسیار مهم است.
برای طرح های چند لایه، این مزایا ترکیب می شوند: انباشته کردن لایه های سرامیکی مدارهای متراکم و با کارایی بالا را بدون قربانی کردن یکپارچگی حرارتی یا مکانیکی امکان پذیر می کند.

مواد کلیدی برای PCB های سرامیکی چند لایه

انتخاب زیرلایه سرامیکی مستقیماً بر عملکرد، هزینه و پیچیدگی تولید تأثیر می گذارد. سه ماده رایج عبارتند از:
ماده

ب. AlN در طرح های فشرده گرما (به عنوان مثال، ماژول های IGBT) برتری دارد، اما به پردازش تخصصی نیاز دارد.
ج. زیرکونیا برای محیط های شدید که در آن چقرمگی مکانیکی (به عنوان مثال، مقاومت در برابر لرزش) نسبت به هدایت حرارتی اولویت دارد، محفوظ است.
فرآیند تولید PCB سرامیکی چند لایه

تولید PCB های سرامیکی چند لایه شامل مراحل دقیقی است که به دلیل ماهیت شکننده و دمای بالای مواد سرامیکی، با ساخت PCB های آلی متفاوت است.
1. آماده سازی زیرلایه
  الف. آسیاب پودر سرامیکی: پودر سرامیکی خام (به عنوان مثال، Al₂O₃) با چسباننده ها (پلی وینیل بوتیرال)، حلال ها و نرم کننده ها مخلوط می شود تا یک دوغاب تشکیل شود. آسیاب اندازه ذرات را به 1 تا 5 میکرومتر کاهش می دهد تا تراکم یکنواخت شود.
  ب. ریخته گری نواری: دوغاب با استفاده از یک تیغه دکتر روی یک فیلم حامل (PET) پخش می شود و ورقه های سبز نازک (0.1 تا 0.5 میلی متر ضخامت) تشکیل می شود. این ورق ها برای حذف حلال ها خشک می شوند و یک «نوار سبز» انعطاف پذیر و قابل حمل ایجاد می کنند.
2. الگوبرداری لایه

  الف. حفاری لیزری: میکروویاها (قطر 50 تا 200 میکرومتر) برای اتصال لایه ها به نوار سبز حفاری می شوند. حفاری لیزری دقت را بدون ترک خوردن مواد شکننده تضمین می کند - حفاری مکانیکی برای سرامیک نازک خیلی غیر دقیق است.
  ب. متالیزاسیون: خمیرهای رسانا (معمولاً تنگستن، مولیبدن یا مس) با چاپ صفحه ای روی نوار سبز چاپ می شوند تا ردیابی ها، پدها و پر کردن ویاها را تشکیل دهند. تنگستن و مولیبدن با تف جوشی در دمای بالا سازگار هستند. مس به فرآیندهای دمای پایین تر (به عنوان مثال، پخت مشترک در 900 درجه سانتیگراد) نیاز دارد.
3. انباشته سازی و لمیناسیون لایه

  الف. تراز: ورق های سبز با استفاده از علائم فیدوچیال تراز می شوند تا از ثبت ویا و ردیابی در سراسر لایه ها اطمینان حاصل شود (تلرانس ±5 میکرومتر).
  ب. لمیناسیون: لایه های انباشته شده در دمای 50 تا 100 درجه سانتیگراد و 10 تا 30 مگاپاسکال فشرده می شوند تا آنها را به یک بلوک واحد متصل کنند و شکاف های هوایی را که می توانند باعث نقص در هنگام تف جوشی شوند، از بین ببرند.
4. تف جوشی

  الف. سوختن چسباننده: لمینت انباشته شده در هوا یا نیتروژن تا 300 تا 600 درجه سانتیگراد گرم می شود تا چسباننده های آلی حذف شوند و از حباب های گاز در هنگام تف جوشی جلوگیری شود.
  ب. تف جوشی: لمینت در دماهای بالا (1500 تا 1700 درجه سانتیگراد برای Al₂O₃؛ 1600 تا 1800 درجه سانتیگراد برای AlN) پخته می شود تا سرامیک متراکم شود و لایه ها ذوب شوند. در طول تف جوشی، مواد 15 تا 20 درصد منقبض می شوند - یک ملاحظه مهم برای دقت طراحی.
  ج. خنک سازی: خنک سازی کنترل شده (≤5 درجه سانتیگراد در دقیقه) استرس حرارتی و ترک خوردگی را به حداقل می رساند، به خصوص برای PCB های بزرگ یا ضخیم.
5. پس از پردازش

  الف. متالیزاسیون سطح: سرامیک تف جوشی شده با مس، طلا یا نیکل-طلا (ENIG) متالیزه می شود تا قابلیت لحیم کاری بهبود یابد. لایه های تنگستن/مولیبدن اغلب با نیکل آبکاری می شوند تا از اکسیداسیون جلوگیری شود.
  ب. برش: پانل تف جوشی شده با استفاده از اره های الماسی یا لیزر به PCB های جداگانه بریده می شود و از استرس مکانیکی که می تواند سرامیک را ترک کند، جلوگیری می شود.
  ج. آزمایش: آزمایش الکتریکی (پیوستگی، مقاومت عایق) و آزمایش حرارتی (تصویربرداری مادون قرمز) عملکرد را تأیید می کند.
چالش ها در تولید PCB سرامیکی چند لایه

علیرغم مزایای آنها، PCB های سرامیکی موانع تولید منحصر به فردی را ارائه می دهند:
  الف. کنترل انقباض: انقباض تف جوشی 15 تا 20 درصد به مقیاس بندی دقیق طراحی قبل از تف جوشی نیاز دارد (به عنوان مثال، یک PCB نهایی 100 میلی متری به یک ورق سبز 120 میلی متری نیاز دارد).
  ب. هزینه: مواد خام (به ویژه AlN) و پردازش در دمای بالا، PCB های سرامیکی را 5 تا 10 برابر گران تر از FR-4 می کند.
  ج. شکنندگی: سرامیک در هنگام جابجایی مستعد ترک خوردن است و به ابزارآلات تخصصی و پردازش ملایم نیاز دارد.
  د. پیچیدگی طراحی: ردیابی های با گام ریز ( <50 میکرومتر) چاپ روی نوار سبز دشوار است و تراکم را در مقایسه با PCB های آلی HDI محدود می کند.
مزایای PCB های سرامیکی چند لایهچالش ها با مزایای عملکردی جبران می شوند که PCB های سرامیکی را در کاربردهای کلیدی غیرقابل جایگزین می کند:

1. مدیریت حرارتی برتر: PCB های مبتنی بر AlN دمای اتصال LED را 30 تا 40 درجه سانتیگراد در مقایسه با FR-4 کاهش می دهند و طول عمر را از 50000 به 100000+ ساعت افزایش می دهند.
2. قابلیت اطمینان در دمای بالا: حفظ عملکرد در محفظه های موتور خودرو (150 درجه سانتیگراد+) و کوره های صنعتی (500 درجه سانتیگراد+).
3. تلفات سیگنال کم: تلفات دی الکتریک <0.001 در 10 گیگاهرتز 5G mmWave (28 تا 60 گیگاهرتز) و سیستم های راداری را با حداقل تخریب سیگنال فعال می کند.
4. مقاومت در برابر مواد شیمیایی و رطوبت: مقاومت در برابر قرار گرفتن در معرض روغن ها، سوخت ها و رطوبت در محیط های دریایی یا صنعتی.
5. پایداری ابعادی: ضریب انبساط حرارتی (CTE) نزدیک به سیلیکون (4 تا 6 ppm/°C) استرس روی اتصالات لحیم کاری در بسته های نیمه هادی را کاهش می دهد.کاربردهای PCB های سرامیکی چند لایه
PCB های سرامیکی در محیط هایی که PCB های آلی در آن شکست می خورند، برتری دارند:
  الف. هوافضا و دفاع: سیستم های هدایت موشکی، ماژول های رادار و سنسورهای موتور (تحمل دما و لرزش شدید).

  ب. الکترونیک قدرت: ماژول های IGBT، اینورترها و درایوهای موتور (اتلاف حرارت کارآمد برای سیستم های 100+ کیلووات).
  ج. روشنایی LED: آرایه های LED با توان بالا (چراغ های خیابانی، روشنایی صنعتی) که در آن مدیریت حرارتی از کاهش لومن جلوگیری می کند.
  د. خودرو: سنسورهای ADAS، ماژول های قدرت خودروهای الکتریکی (EV) و مانیتورهای سیستم اگزوز (مقاومت در برابر گرمای زیر کاپوت و مواد شیمیایی).
  ه. مخابرات: تقویت کننده های ایستگاه پایه 5G و فرستنده های گیرنده ماهواره ای (تلفات دی الکتریک کم برای سیگنال های با فرکانس بالا).
مقایسه PCB های سرامیکی چند لایه با جایگزین ها
فناوری
هدایت حرارتی (W/m·K)

حداکثر دما (°C)

  ب. تولید افزایشی: چاپ سه بعدی لایه های سرامیکی هندسه های پیچیده (به عنوان مثال، کانال های خنک کننده داخلی) را امکان پذیر می کند که با ریخته گری نواری امکان پذیر نیست.
  ج. طرح های ترکیبی: ترکیب لایه های سرامیکی و FR-4 تعادل بین عملکرد و هزینه را در سیستم های سیگنال مختلط برقرار می کند.
سوالات متداول
س: حداکثر تعداد لایه برای PCB های سرامیکی چند لایه چقدر است؟
پاسخ: معمولاً 4 تا 10 لایه، محدود شده توسط چالش های تراز در هنگام انباشته شدن. فرآیندهای پیشرفته می توانند 12 تا 16 لایه را برای کاربردهای تخصصی هوافضا به دست آورند.

س: آیا PCB های سرامیکی می توانند از اجزای نصب سطحی استفاده کنند؟
پاسخ: بله، اما خمیر لحیم کاری باید برای اجزای دمای بالا طراحی شود (به عنوان مثال، لحیم SAC305، که در 217 درجه سانتیگراد ذوب می شود، با PCB های سرامیکی کار می کند).
س: PCB های سرامیکی چگونه لرزش را کنترل می کنند؟

پاسخ: در حالی که شکننده است، استحکام مکانیکی بالای سرامیک (Al₂O₃ دارای استحکام خمشی 300 تا 400 مگاپاسکال است) در صورت نصب صحیح با وسایل جذب کننده ضربه، امکان استفاده در محیط های مستعد لرزش را فراهم می کند.
س: آیا PCB های سرامیکی با RoHS مطابقت دارند؟

پاسخ: بله، زیرلایه های سرامیکی و مواد متالیزاسیون (تنگستن، مس، نیکل) با RoHS مطابقت دارند و هیچ ماده خطرناکی ندارند.
س: زمان تحویل PCB های سرامیکی چند لایه چقدر است؟

پاسخ: 4 تا 6 هفته برای نمونه های اولیه؛ 8 تا 12 هفته برای تولید انبوه، به دلیل مراحل تف جوشی و پس از پردازش.
نتیجه

PCB های سرامیکی چند لایه یک فناوری تخصصی اما ضروری برای الکترونیک است که در شرایط سخت کار می کند. هدایت حرارتی برتر، پایداری در دمای بالا و مقاومت شیمیایی آنها را در هوافضا، الکترونیک قدرت و کاربردهای 5G - علیرغم هزینه های تولید بالاتر - غیرقابل جایگزین می کند.
با پیشرفت مواد و فرآیندها (به عنوان مثال، LTCC، چاپ سه بعدی)، PCB های سرامیکی در دسترس تر خواهند شد و استفاده از آنها را فراتر از بازارهای خاص گسترش می دهند. برای مهندسان و تولیدکنندگان، درک الزامات تولید منحصر به فرد آنها کلید استفاده از پتانسیل کامل آنها در الکترونیک نسل بعدی است.