Geleneksel FR-4 fiberglas levhalar, yeniden akışlı lehimlemeden sonra bir "kemer" şekli geliştirme eğilimindedir. Bu, termal stres ile malzemenin fiziksel özellikleri arasındaki dengesizliğin kaçınılmaz bir sonucudur. Geleneksel PCB'lerde bileşen lehimleme kusurları ve bükülme nedeniyle ekipman arızaları görülür. Alt tabaka olarak seramik kullanan ve neredeyse-mükemmel fiziksel stabiliteye sahip bir PCB türü, yüksek-güçlü veya yüksek güvenilirliğe sahip elektronik cihazlar için temel seçim haline geliyor.
Seramik yüzeyler neden eğrilmiyor?
PCB bükülmesinin temel nedeni, malzemelerin termal genleşme katsayıları ile iç gerilimin serbest bırakılması arasındaki uyumsuzlukta yatmaktadır. Sıradan FR-4 substratları, fiberglas kumaş ve epoksi reçinenin yapıştırılmasıyla oluşturulur. Reçine ısıtıldığında yumuşar ve soğutulduğunda büzülür. Her iki taraftaki asimetrik bakır folyo deformasyonu daha da şiddetlendirir.
Seramik yüzeyler tamamen farklı özelliklere sahiptir. Taban olarak yüksek-sıcaklıkta sinterlenmiş seramik yeşil tabakalar kullanırlar ve çok yüksek elastik modül ve son derece düşük termal genleşme katsayısı sergilerler. Üretim sırasında, bakır folyo seramik yüzeye yüksek-sıcaklıkta sıcak presleme veya doğrudan bakır kaplama teknolojisi yoluyla tutturulur ve basit yapışkan bağlama yerine moleküller arası bağlanma elde edilir. Bu, kompozit yapının aşırı sıcaklık koşullarında bile boyutsal stabiliteyi korumasına olanak tanır.
Alümina seramikler: Maliyet-Verimliliğin Kralı
Alümina şu anda en yaygın kullanılan seramik altlık malzemesidir ve %75 ile %99,5 arasında alümina içerir. %99,5'lik yüksek saflık, son derece düşük dielektrik kaybıyla pürüzsüz ve yoğun bir yüzey sağlar, bu da onu yüksek-frekans devreleri için uygun kılar.
Alüminanın termal iletkenliği yaklaşık 24 ila 28 W/(m·K) olup, FR-4'ün 0,3 W/(m·K) değerinden önemli ölçüde yüksektir. Ancak ultra yüksek güç uygulamalarında hala yetersiz kalıyor. Bol hammadde, yüksek mekanik mukavemet ve mükemmel kimyasal stabiliteye sahip olması, onu performans ve maliyeti dengeleyen bir ürünün başlıca örneği haline getiriyor ve böylece mikroelektronik ve güç modülü alanlarında baskın bir konuma sahip oluyor.
Alüminyum nitrürün yüksek termal iletkenliği, silikon levhalarla-iyi uyum sağlar. Alüminyum nitrür seramiklerin ortaya çıkışı, alüminadaki yetersiz termal iletkenlik sorununu çözmüş, 170 W/(m·K)'yi aşan, alüminanın yedi katı ve hatta metalik alüminyumunkini aşan bir termal iletkenlik elde etmiştir.
Daha da önemlisi, alüminyum nitrürün termal genleşme katsayısı, yarı iletken silikon tabakalarınkine son derece yakındır. Yüksek-güçlü çipler doğrudan alt tabakaya monte edildiğinde, benzer genleşme katsayısı termal çevrimin neden olduğu kesme gerilimini etkili bir şekilde önler, böylece talaş çatlamasını veya lehim bağlantısının yorulmasını önler. Üretim sürecinin oksijen içeriği kontrolü açısından son derece yüksek gereksinimleri vardır; Oksijen safsızlıkları ne kadar düşük olursa, termal iletkenlik o kadar güçlü olur.
Berilyum Oksitin Yüksek Isı İletkenliği ve Toksisite Sınırlamaları
Berilyum oksit seramikleri, oda sıcaklığında 250 W/(m·K)'nin üzerine ulaşan, alüminyum nitrürü bile geride bırakan olağanüstü termal iletkenlik sergiler. Bir zamanlar son derece sıkı ısı dağılımı gereksinimleri olan alanlarda tercih edilen malzemeydi.
Ancak berilyum oksit tozu zehirlidir. Üretim ve işleme sırasında oluşan tozun solunması halinde ciddi akciğer hastalıklarına neden olabilir. Benzer şekilde bertaraf sırasında ortaya çıkan tozun solunması halinde ciddi akciğer hastalıklarına da yol açabilmektedir. Bu ölümcül kusur gelişimini ciddi şekilde sınırlıyor. Şu anda yalnızca çok az sayıda uzmanlaşmış askeri alanda kapsamlı koruyucu önlemlerle ve çok az sayıda uzmanlaşmış havacılık alanında da kapsamlı koruyucu önlemlerle kullanılıyor. Sivil pazarın yerini büyük ölçüde alüminyum nitrür aldı.
Seramik PCB'lerin Temel Avantajları
Seramik alt katmanların en belirgin avantajı güçlü akım-taşıma kapasiteleridir. Deneysel veriler, 1 mm kalınlığındaki 0,3 mm bakır alt tabakadan sürekli olarak 100 A akım geçtiğinde sıcaklık artışının yalnızca 17 derece civarında olduğunu göstermektedir. Bakır kalınlığı 2 mm'ye çıkarılırsa sıcaklık artışı 5 dereceye kadar kontrol altına alınabilir.
Ayrıca yüksek gerilime dayanabilecek mükemmel yalıtım özelliklerine sahiptir. Bu özellik ekipman ve personelin güvenliğini sağlar. Organik yapıştırıcılar gerektirmediği için performansı yüksek-sıcaklık ve yüksek-nemli ortamlarda son derece stabildir. Ayrıca, bakır folyonun yapışması çok güçlüdür ve ciddi sıcaklık değişimlerinden dolayı ayrılmaz, bu da güvenilirliğini sıradan PCB'lerden çok daha üstün kılar.
Seramik PCB'ler için Üretim Seçenekleri
Seramik alt tabakalar üstün performans sergilese de, kırılgan yapıları geniş alanlı levhaların üretiminde kullanımlarını sınırlıyor- ve fiyatları FR-4'ten çok daha yüksek. 100 mm'lik bir yan alüminyum nitrür alt tabaka, aynı boyuttaki bir FR-4'ten onlarca kat daha pahalı olabilir.
Bu nedenle, esas olarak yüksek-güçlü LED'ler, otomotiv ateşleme sistemleri, yüksek-frekans anahtarlamalı güç kaynakları, havacılık ve askeri elektronikler gibi ileri teknoloji uygulamalarda kullanılır. Seramik bir alt tabakanın seçilmesi, en üst düzeyde sağlamlık ve güvenilirlik seçiminin yapılması anlamına gelir. Gerçek Ar-Ge veya küçük-seri üretimde, profesyonel ve güvenilir bir üreticinin seçilmesi son derece önemlidir. JEP PCB, profesyonel seramik substrat işleme yeteneklerine sahip olarak uzun yıllardır sektöre derinden dahil olmuştur. Prototiplemeden seri üretime kadar hızlı yanıt ve istikrarlı süreç desteği sunarak yüksek-performanslı tasarımınıza doğru bir şekilde ulaşılmasını sağlar.
Peki, ürün tasarımınızda maliyet kontrolüne öncelik mi vereceksiniz, yoksa 5 derecelik sıcaklık artışı ve benzersiz güvenilirliği ve stabilitesi nedeniyle seramik bir alt tabaka mı seçeceksiniz? Görüşlerinizi yorumlar bölümünde paylaşmaktan çekinmeyin, bu makaleyi beğenin ve paylaşın, böylece daha fazla mühendis bu-bilimin popülerleşmesini derinlemesine görebilir.