برد مدار چاپی سرامیکی: راهنمای کامل طراحی و ساخت

برد مدار چاپی سرامیکی چیست؟

یک PCB سرامیکی به جای سرامیک سنتی از زیرلایهٔ سرامیکی غیرآلی استفاده می‌کند. FR-4 فایبرگلاس. مواد پایه رایج عبارتند از آلومینا (Al₂O₃)، نیترید آلومینیوم (AlN) و اکسید بریلیوم (BeO). این بردها گرما را بسیار بهتر از لمینت‌های آلی هدایت می‌کنند. همچنین، آن‌ها در برابر دماهای تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد برای آلومینای استاندارد و حتی بالاتر برای SiC مقاومت می‌کنند. مهندسان زمانی PCBهای سرامیکی را انتخاب می‌کنند که به هدایت حرارتی بالا، عملکرد الکتریکی پایدار در فرکانس‌های بالا، یا ضریب انبساط حرارتی (CTE) مشابه با تراشه‌های سیلیکونی نیاز دارند. برخلاف بردهای با هسته فلزی، سرامیک هیچ لایه عایقی بین قطعه و ماده پخش‌کننده حرارت ندارد. قطعات مستقیماً روی سرامیک قرار می‌گیرند که این امر مقاومت حرارتی را کاهش می‌دهد. این مسیر مستقیم دمای اتصال را پایین نگه می‌دارد و عمر محصول را افزایش می‌دهد.

انواع بردهای مدار چاپی سرامیکی

سه خانواده اصلی فرآیند وجود دارد. هر یک برای اهداف عملکردی و هزینه‌ای متفاوت مناسب است.

سرامیک هم‌پخت با دمای بالا (HTCC)

HTCC از زیرلایه آلومینا همراه با خمیرهای فلزی مقاوم در برابر حرارت—تنگستن یا مولیبدن—استفاده می‌کند. ما الگوی مدار را به‌صورت چاپ سیلک روی نوار سرامیکی سبز چاپ می‌کنیم، لایه‌ها را روی هم قرار می‌دهیم و سپس همه چیز را در دمای ۱۶۰۰–۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد در جو گاز کاهنده (هیدروژن) می‌پزیم. گرمای بالا باعث سینتر شدن سرامیک و فلز و یکپارچه شدن آن‌ها در قالب یک برد مونولیتیک می‌شود. HTCC برای زیرلایه‌های کوچک با تعداد لایه‌های بالا مناسب است. اما پخت شدید باعث انقباض ۱۵–۲۰ درصدی می‌شود؛ ما این انقباض را در طراحی CAM جبران می‌کنیم. فلزات نسوز مقاومت الکتریکی بالاتری نسبت به مس دارند، بنابراین ردهای HTCC افت بیشتری را نشان می‌دهند. از HTCC زمانی استفاده کنید که به لایه‌های زیاد (تا ۱۰ لایه) نیاز دارید و می‌توانید پهنای خطوط وسیع‌تر را بپذیرید. کارخانه ما می‌تواند پس از اصلاح انقباض، فاصله خط/فضا را در ۱۰۰ میکرومتر حفظ کند.

سرامیک هم‌پخت با دمای پایین (LTCC)

LTCC در حدود ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد پخته می‌شود. این دمای پایین‌تر به ما امکان می‌دهد از خمیرهای فلز گران‌بها—طلا، نقره یا طلای-پالادیوم—استفاده کنیم. زیرلایه از یک نوار کامپوزیتی شیشه‌ای-سرامیکی شروع می‌شود. ما هادی‌ها را چاپ می‌کنیم، ویاس‌ها را با لیزر یا پانچ مکانیکی سوراخ می‌کنیم، آن‌ها را با خمیر پر می‌کنیم و لایه‌ها را لمینت می‌کنیم. پخت مشترک در کوره اکسیدکننده همه چیز را به هم متصل می‌کند. LTCC کنترل ابعادی بهتری نسبت به HTCC ارائه می‌دهد (تنها 0.1–0.2% انقباض)، بنابراین خطوط ظریف‌تری به‌دست می‌آوریم: به‌طور معمول فاصله و ردیابی 75 میکرومتر. از آنجا که فلز پخته‌شده طلاست، برای چسبندگی لحیم نیاز به پوشش‌های ویژه پد است. ما اغلب اضافه می‌کنیم ENIG (غوطه‌وری طلای نیکل بدون الکترولیت) به‌عنوان پوشش نهایی. LTCC برای کاربردهای RF و سیگنال ترکیبی برتری دارد زیرا ضریب دی‌الکتریک یکنواخت و با تلفات کم است.

برد مدار چاپی سرامیکی با فیلم ضخیم

فناوری فیلم ضخیم با یک زیرلایه سرامیکی پیش‌پخته (معمولاً آلومینای 96%) آغاز می‌شود. ما خمیرهای رسانا، مقاومتی و دی‌الکتریک را به‌صورت لایه‌به‌لایه چاپ سیلک می‌کنیم. هر لایه در دمای 850–1000 درجه سانتی‌گراد پخته می‌شود. خمیرهای رسانا از طلا یا نقره-پالادیوم هستند؛ خمیرهای دی‌الکتریک بین لایه‌ها عایق می‌کنند. پس از پخت، می‌توانیم مقاومت‌ها را با لیزر تا تلرانس ±1% برش دهیم. فناوری فیلم ضخیم، کم‌هزینه‌ترین فرآیند سرامیکی برای نمونه‌سازی و حجم‌های متوسط است. مس فیلم ضخیم چندلایه یک نوع مدرن است: ما خمیرهای مس را چاپ کرده و در جو نیتروژن می‌پزیم. این امر مشکلات هزینه و قابلیت لحیم‌پذیری خمیر طلا را حل می‌کند. بردهای فیلم ضخیم می‌توانند ضخامت نهایی مس ۱۰ تا ۱۵ میکرومتر را تحمل کنند که برای اکثر مدارهای قدرت تا ۱۰ آمپر کافی است.

مقایسهٔ مواد برد مدار چینی سرامیکی

انتخاب سرامیک مناسب مستقیماً بر عملکرد حرارتی و هزینه تأثیر می‌گذارد.

مواد	هدایت حرارتی (وات بر متر بر کلوین)	CTE (پی‌پی‌ام/درجه سانتی‌گراد)	ثابت دی‌الکتریک	حداکثر دمای عملیاتی (°C)	مورد استفادهٔ معمول
آلومینا ۹۶۱تی‌پی۳تی	۲۰–۲۴	۶.۵–۷.۰	9.4	350	ماژول‌های LED، هیبریدهای توان
آلومینا ۹۹.۶۱TP3T	۲۸–۳۰	7.0	9.8	350	سوبستراهای RF، حامل‌های چیپ
نیتрид آلومینیوم (AlN)	۱۷۰–۲۳۰	4.5	8.8	400	تقویت‌کننده‌های GaN با توان بالا، اینورترهای خودروی الکتریکی
اکسید بریلیوم (BeO)	260	6.4	6.7	450	رادارهای نظامی (سمی—نیازمند جابجایی ویژه)
سیلیکون کارباید (SiC)	۱۲۰-۲۷۰	4.0	40	800+	سنسورهای دمای بسیار بالا

آلومینا 96% بهترین تعادل قیمت و عملکرد را ارائه می‌دهد. AlN حدود سه برابر گران‌تر است اما در طراحی ۵۰ واتی دمای اتصال را بیش از ۲۰ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد. این حاشیه حرارتی اضافی می‌تواند میانگین زمان بین خرابی‌های سیستم را دو برابر کند. کارخانه ما هر دو نوع خام آلومینا 96% و 99.6% را در پنل‌های 4×4 اینچ و 6×8 اینچ موجود دارد. خام‌های AlN نیز بنا به درخواست و با زمان تحویل کمی طولانی‌تر در دسترس هستند.

مزایای کلیدی بردهای مدار چاپی سرامیکی

هدایت حرارتی استثنایی

FR-4 گرما را با ضریب هدایت حدود 0.25 وات بر متر-کِلوین منتقل می‌کند. حتی آلومینای استاندارد (24 وات بر متر-کِلوین) 96 برابر سریع‌تر گرما را منتقل می‌کند. نیترید آلومینیوم ضریب هدایت 170–230 وات بر متر-کِلوین دارد. این بدان معناست که یک پلن مسی یک اونسی روی سرامیک به‌عنوان یک پخش‌کنندهٔ گرمای کارآمد عمل می‌کند. برای مثال، یک ردّ مسی به عرض ۲ میلی‌متر و ضخامت ۰٫۳ میلی‌متر در جریان ۱۰۰ آمپر روی یک برد آلومینا تنها ۵ درجه سانتی‌گراد بالاتر از دمای محیط گرم می‌شود. همین ردّ روی FR-4 داغ شده و لایه‌های چسبندگی آن جدا می‌شود. نصب مستقیم قطعات روی سرامیک لایه‌های ماده رابط حرارتی را حذف کرده و مقاومت کل رابط اتصال به محیط را کاهش می‌دهد.

مقاومت در برابر دمای بالا

بردهای HTCC و آلومینای فیلم ضخیم ما به‌طور مداوم در دمای ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند. بردهای SiC تا بیش از ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد دوام می‌آورند. فریت FR-4 سنتی دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) بین ۱۳۰ تا ۱۷۰ درجه سانتی‌گراد دارد؛ این ماده بسیار پایین‌تر از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد نرم شده و از کار می‌افتد. این تحمل دمای بالا، بردهای PCB سرامیکی را برای ابزارهای حفاری درون‌چاهی، هدایت موشک و حسگرهای زیر کاپوت خودرو ضروری می‌سازد.

بسته‌های سیلیکونی و سرامیکی تطبیق‌یافته با CTE پایین

چیپ‌های سیلیکونی در هر درجه سانتی‌گراد حدود ۲٫۶ قسمت در میلیون منبسط می‌شوند. حامل‌های چیپ سرامیکی بدون قلع (LCCC) ضریب انبساط حرارتی ۶–۷ قسمت در میلیون در هر درجه سانتی‌گراد دارند. FR-4 در هر درجه سانتی‌گراد ۱۴–۱۷ قسمت در میلیون منبسط می‌شود. این عدم تطابق باعث خستگی محل لحیم‌کاری در طول چرخه‌های حرارتی می‌شود. یک PCB سرامیکی با ضریب انبساط حرارتی 6.5 ppm/°C تقریباً به‌طور کامل با بسته مطابقت دارد. در آزمایش‌های قابلیت اطمینان ما، محل‌های لحیم‌کاری سرامیک-LCCC در 2000 چرخه شوک حرارتی (−55°C تا +125°C) بدون رشد ترک دوام می‌آورند، در حالی که همین محل‌ها روی FR-4 پس از 500 چرخه شکست می‌یابند.

عایق الکتریکی برتر و عملکرد فرکانس بالا

توان دی‌الکتریک روی آلومینا بیش از ۲۰ کیلوولت بر میلی‌متر است. ثابت دی‌الکتریک در دما و فرکانس مختلف پایدار باقی می‌ماند و تانژانت تلفات آن کم است. این امکان را می‌دهد که مسیرهای کنترل امپدانس بالا برای فرکانس رادیویی تا ۲۰ گیگاهرتز فراهم شوند. برای بردهای LTCC سیگنال ترکیبی، ظرفیت پارازیتی می‌تواند نسبت به طراحی‌های FR-4 تا حدود ۹۰٪ کاهش یابد. این کاهش، تداخل متقابل را کاهش داده و دقت تبدیل آنالوگ به دیجیتال را بهبود می‌بخشد.

قدرت مکانیکی و پایداری بلندمدت

با وجود شکنندگی، زیرلایه‌های سرامیکی مقاومت فشاری بالایی دارند (آلومینا حدود ۲۰۰۰ مگاپاسکال). آن‌ها در برابر فرسایش شیمیایی ناشی از سوخت‌ها، اسیدها و حلال‌های تمیزکننده مقاوم‌اند. جذب رطوبت نزدیک به صفر است، بنابراین خواص الکتریکی تغییر نمی‌کند. بردهای ما مطابقت دارند IPC-TM-650 آزمایش‌های مقاومت در برابر رطوبت بدون هیچ‌گونه تخریب.

یکپارچه‌سازی و مینیاتوری‌سازی با چگالی بالا

ما از میکروویاهای سوراخ‌شده با لیزر با قطر تا 0.06 میلی‌متر استفاده می‌کنیم. همراه با فرآیندهای LTCC با خطوط ریز (خط/فاصله 75 میکرومتر)، می‌توانید قطعات بیشتری را در مساحت کمتری جای دهید. هم‌پخت چندلایه به ما امکان می‌دهد قطعات pasive—مقاومت‌ها، خازن‌ها—را در حین سینتر درون زیرلایه جای دهیم. این امر فضای سطحی را برای تراشه‌های فعال و کانکتورها آزاد می‌کند. یک برد LTCC واحد می‌تواند جایگزین کل مونتاژ چندبردی FR-4 شود و وزن و حجم را کاهش دهد.

چرا از PCB سرامیکی به جای سایر بردها استفاده کنیم؟

هدایت حرارتی: اعداد واقعی

FR-4: 0.25 وات بر متر·کلوین. برد مدار چاپی سخت (MCPCB) (پشت آلومینیومی): 1–2 وات بر متر·کلوین، اما همچنان از لایه عایق دی‌الکتریک استفاده می‌کند که باعث ایجاد گلوگاه می‌شود. سرامیک آلومینا: 24 وات بر مترکلسیم، بدون لایه عایق. بنابراین گرما بلافاصله از پد قطعه به بدنه سرامیکی منتقل می‌شود. یک LED ۱۰ واتی روی MCPCB ممکن است به دمای اتصال ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد برسد؛ همان LED روی آلومینا زیر ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد باقی می‌ماند. این عملکرد خنک‌تر، عمر حفظ لومن را دو برابر می‌کند.

مقایسه قیمت و هزینه کل مالکیت

بردهای سرامیکی به ازای هر واحد سطح هزینه بیشتری دارند. یک برد آلومینای دو‌لایه 96% (100 × 80 میلی‌متر) در سفارش حجمی (بیش از 100 عدد) حدود $0.8–1.2/cm² هزینه دارد. یک برد معادل FR-4 چهار‌لایه $0.10/cm² است. اما هزینه سیستم داستان متفاوتی را روایت می‌کند. سرامیک نیاز به پدهای حرارتی، پخش‌کننده‌های گرما و هیت‌سینک‌های بزرگ را از بین می‌برد. برای یک منبع تغذیه ۵۰ واتی، صرفه‌جویی در سخت‌افزار خنک‌کننده و نیروی کار مونتاژ اغلب بیش از ۱۰ سنت به ازای هر واحد است. نسخه سرامیکی همچنین بازگشت‌های میدانی را کاهش می‌دهد. در طول عمر محصول، سرامیک هزینه کل مالکیت پایین‌تری را فراهم می‌کند.

رویکردهای فناوری: وقتی سرامیک پیروز می‌شود

از سرامیک استفاده کنید وقتی:

• دمای اتصال باید در محیط با دمای بالا زیر ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد باقی بماند.
• طراحی دارای اجزای زیادی حساس به تغییرات دما است (چیپ برهنه، مدارهای مجتمع بسته‌بندی‌شده با سرامیک).
• شما به عملکرد RF بالاتر از ۵ گیگاهرتز نیاز دارید.
• محصول در معرض محیط‌های با ارتعاش شدید یا خورنده قرار دارد.
• ریزسازی نیازمند ویای کور/مدفون و قطعات پسیو تعبیه‌شده است.

اگر محدودیت‌های شما تنها گرمای متوسط و هزینه مهم باشد، MCPCB یا FR-4 با مس ضخیم ممکن است کافی باشد. اما وقتی به مانع حرارتی برخورد می‌کنید، سرامیک مشکل را حل می‌کند.

چگونه یک PCB سرامیکی بسازیم؟

ما در کارخانه‌مان از چهار جریان اصلی تولید استفاده می‌کنیم. من به‌سادگی هر یک را توضیح خواهم داد.

فرآیند HTCC

1. ریخته‌گری نوار: ما پودر آلومینا را با چسب آلی مخلوط کرده و آن را به ورق‌های سبز نازک ریخته‌گری می‌کنیم.
2. برش و پانچ ویای: ما ورق‌ها را به اندازه پنل برش می‌دهیم و ویاس‌ها را پانچ یا با لیزر سوراخ می‌کنیم.
3. از طریق پرینت‌گیری و چاپ: ویاها را با خمیر تنگستن پر کنید. ردهای هادی را روی هر لایه به روش چاپ سیلک چاپ کنید.
4. لامیناسیون: لایه‌ها را در یک پرس تحت حرارت و فشار روی هم قرار دهید.
5. سوزاندن مشترک: ستاک لمینیت‌شده را به مدت ۳۲ تا ۴۸ ساعت در دمای ۱۶۰۰–۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد در جو کنترل‌شده هیدروژن–نیتروژن حرارت دهید. چسب می‌سوزد و سرامیک با فلز سینتر می‌شود.
6. پس‌پردازش: مقاومت‌های تعبیه‌شده را با لیزر تراش دهید. در صورت نیاز، پوشش‌های سطحی (ENIG، نقره‌کاری غوطه‌وری) را اضافه کنید.

فرآیند LTCC

همان مراحل اما با نوار شیشه‌–سرامیکی، خمیر طلا و پخت در دمای ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد در هوا. نیازی به هیدروژن نیست. ابعاد ویایی تا ۰٫۱ میلی‌متر کاهش می‌یابند. می‌توانیم القاگرها و خازن‌ها را درون ته‌نشینی جاسازی کنیم.

فرآیند فیلم ضخیم

1. با یک زیرلایه آلومینایی پخته‌شده شروع کنید.
2. لایهٔ هادی را با چاپ سیلک (طلا یا نقره-پالادیوم) چاپ کنید، خشک کرده و در دمای ۸۵۰–۱۰۰۰ درجهٔ سانتی‌گراد حرارت دهید.
3. لایهٔ دی‌الکتریک را برای عایق‌کاری چاپ کنید، سپس آن را حرارت دهید.
4. این کار را برای هر لایه تکرار کنید. برای لایهٔ مسی ضخیم، چاپ کرده و در نیتروژن پخت کنید.
5. پوشش نهایی لعابی یا ماسک لحیم‌کاری را اعمال کنید (در صورت نیاز).
6. مقاومت‌های تنظیم لیزری را به مقدار تنظیم کنید.

مشخصات معمول فیلم ضخیم: خط/فاصله ۱۲۵ میکرومتر، قطر ویا ۰٫۳ میلی‌متر، حداکثر ۴ لایه رسانا، ضخامت مس نهایی ۱۰–۱۵ میکرومتر برای هر لایه.

مس آبکاری‌شده مستقیم (DPC) و مس متصل‌شده مستقیم (DCB)

این روش‌ها ساده‌تر برای بردهای یک‌رو یا دو‌رو هستند. DPC با اسپاتر یک لایه بذر مسی روی سرامیک رسوب می‌دهد، سپس با الکتروپلیتینگ به ضخامت دلخواه می‌رساند. DCB یک ورق ضخیم مسی (0.1–0.3 میلی‌متر) را مستقیماً روی آلومینا یا AlN در دمای بالا در نیتروژن می‌چسباند. ما از DPC برای بسته‌بندی‌های LED و از DCB برای ماژول‌های IGBT با جریان بالا استفاده می‌کنیم. هر دو با ضخامت مس تا ۳۰۰ میکرومتر عملکرد حرارتی بسیار خوبی ارائه می‌دهند.

کارخانه ما اندازه‌های استاندارد پنل‌ها را ۴×۴ اینچ، ۵×۵ اینچ، ۶×۸ اینچ و ۸×۱۰ اینچ نگه می‌دارد. تعداد لایه‌ها برای فیلم ضخیم از ۱ تا ۶ و برای HTCC/LTCC تا ۱۰ متغیر است. ما در LTCC به خطوط/فاصله‌های 75 میکرومتر و در HTCC به 100 میکرومتر دست می‌یابیم. پایان‌کاری‌های سطح شامل ENIG، ENEPIG، نقره‌کاری غوطه‌وری و طلای نرم قابل سیم‌بندی با سیم طلای خالص هستند.

راهنمای طراحی PCB سرامیکی و چک‌لیست DFM

طراحی با سرامیک نیازمند مراقبت ویژه است تا از ترک‌خوردگی و افت محصول جلوگیری شود. من مهم‌ترین قواعد را از تجربه پانزده‌ساله کارخانه‌مان در اختیار شما قرار می‌دهم.

تخلیه از طریق به لبه

شایع‌ترین خرابی‌ای که می‌بینیم ترک ویای نزدیک به لبه برد است. سرامیک شکننده است. وقتی بردها را با اره الماسی یا لیزر از حالت پانل خارج می‌کنیم، ریزترک‌ها می‌توانند به داخل گسترش یابند. تمام مراکز ویای‌ها را حداقل ۲٫۰ میلی‌متر از لبه نهایی برد فاصله دهید. اگر طراحی ویای را نزدیک‌تر به لبه الزام می‌کند، از پدهای اشک‌شکل برای تقویت استفاده کنید. طول اشک‌شکل برابر ۰٫۵ برابر قطر پد مقاومت ترک را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد.

طراحی پد و حفره

روی هر ویای و پد SMD قطره اشک قرار دهید. این کار تنش مکانیکی را توزیع می‌کند. حداقل عرض حلقه‌ی اناری برای قابلیت اطمینان کلاس ۳ باید ۰٫۱۵ میلی‌متر باشد. از قرار دادن ویوها زیر گوشه‌های BGA که در طول چرخه‌های حرارتی تنش در آنجا متمرکز می‌شود، خودداری کنید.

پروفایل لحیم‌کاری

سرامیک جرم حرارتی و رسانایی بالایی دارد. پیش‌گرمایش آن حیاتی است. کارگاه مونتاژ ما از نرخ افزایش دما ۲٫۵ درجه سانتی‌گراد در ثانیه، دوره نگهداری در دمای ۱۵۰–۱۷۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۹۰ ثانیه و دمای اوج ری‌فلو ۲۴۵ درجه سانتی‌گراد برای قلع SAC305 استفاده می‌کند.  برد باید تنها به مدت ۴۵–۶۰ ثانیه بالای دمای ۲۱۷ درجه سانتی‌گراد باقی بماند تا از داغ شدن بیش از حد قطعات حساس جلوگیری شود. برای THT از هویه با حرارت کنترل‌شده استفاده کرده و برد را به‌صورت موضعی پیش‌گرم کنید. هرگز شعله مستقیم اعمال نکنید.

مکان‌یابی و جابجایی قطعات

اجزای سنگین (ترانسفورماتورها، مقاومت‌های پرقدرت) را دور از لبه‌ها و گوشه‌ها قرار دهید. برای بسته‌های بزرگ BGA از زیرپرکننده (under-fill) استفاده کنید تا هرگونه اختلاف ضریب انبساط حرارتی بین برد سرامیکی و زیرلایهٔ ارگانیک تراشه مدیریت شود. هنگام جابجایی دستی از انبرک‌های ایمن در برابر ESD با نوک‌های نرم استفاده کنید. لبه‌های سرامیکی تیز هستند؛ دستکش بپوشید. اپراتورهای ما برای جابجایی پنل‌های بزرگ از چاک‌های خلأ استفاده می‌کنند.

کنترل امپدانس و ردپاهای RF

ثابت دی‌الکتریک سرامیک (۹.۴–۹.۸) با FR-4 (۴.۵) متفاوت است. همیشه ابعاد رد را با استفاده از یک حل‌کننده میدان مناسب بازحساب کنید، نه با یک ماشین‌حساب عمومی FR-4. برای یک میکرواستریپ ۵۰ اهمی روی آلومینای 96% با ضخامت ۰٫۶۳۵ میلی‌متر، عرض رد حدود ۰٫۶ میلی‌متر است. ما داده‌های stack-up و تست امپدانس کنترل‌شده برای جفت‌های دیفرانسیل تا ۲۰ گیگاهرتز ارائه می‌دهیم.

پر کردن حفره و کانال ریشه

ما در حین هم‌پختن، ویاس‌ها را با خمیر رسانا پر می‌کنیم. در فیلم ضخیم، ویاس‌ها با دی‌الکتریک پر می‌شوند یا باز می‌مانند. اگر به ویاس‌های پرشده و آبکاری‌شده نیاز دارید، طراحی ویای درون‌پد را مشخص کنید. ما می‌توانیم سطح را با فرآیند سنگ‌زنی برای BGA با گام ریز هموار کنیم.

کاربردهای PCBهای سرامیکی

ماژول‌های حافظه و دیجیتال پرسرعت

ماژول‌های حافظه DDR با سرعت بالا از ضریب دی‌الکتریک پایین و پایداری حرارتی سرامیک بهره‌مند می‌شوند. مشتریان ما از بردهای LTCC برای مسیریابی باس‌های ۶۴ بیتی با حداقل ناهمزمانی استفاده می‌کنند. ثابت دی‌الکتریک یکنواخت تداخل بین‌علامتی را کاهش می‌دهد.

ماژول‌های دریافت/انتقال (RF)

فرستنده‌گیرهای ارتباط ماهواره‌ای به زیرلایه‌هایی با تلفات کم نیاز دارند. بردهای آلومینا و AlN با ویای لیزری 0.06 میلی‌متری امکان ساخت آنتن‌های آرایه‌ای فازی جمع‌وجور را فراهم می‌کنند. برای تقویت‌کننده توان ماهواره‌ای 50 وات، یک برد AlN دمای اوج را زیر 150 درجه سانتی‌گراد نگه داشت. این طراحی به‌طور قابل‌اعتماد در خلأ و بدون خنک‌سازی همرفتی کار کرد.

بردهای چندلایهٔ رابط

با استفاده از HTCC/LTCC، ما تا ۳۰ مؤلفهٔ پسیو تعبیه‌شده را درون یک برد شش‌لایه یکپارچه می‌کنیم. این کار یک استک چهاربردی FR-4 را در قالب یک ماژول سرامیکی فشرده می‌سازد. یک مشتری در بخش هوافضا وزن را به میزان ۷۰۱TP3T کاهش داد و چگالی اتصالات را ۵ برابر افزایش داد.

بردهای مدار چاپی با سیگنال ترکیبی آنالوگ/دیجیتال

ظرفیت پارازیتی به عملکرد ADC آسیب می‌رساند. با استفاده از LTCC، ظرفیت پارازیتی بین بخش‌های آنالوگ و دیجیتال را در مقایسه با همان مدار روی FR-4 حدود ۹۰ درصد کاهش دادیم. سطح نویز برد ۱۲ دسی‌بل کاهش یافت.

هوافضا و هواپیمایی

سیستم‌های کنترل موشک در دمای محیط ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند. بردهای HTCC ما هزاران چرخه شوک و ارتعاش را تحمل می‌کنند. به پوشش محافظ فرم‌پذیر نیازی نیست زیرا سرامیک خنثی است.

الکترونیک قدرت خودرویی و خودروهای الکتریکی

یک ایستگاه شارژ خودروی الکتریکی از یک برد DCB آلومینیومی برای تحمل جریان ۲۰۰ آمپر به‌صورت مداوم استفاده می‌کند. افزایش دما کمتر از ۲۰ درجه سانتی‌گراد باقی می‌ماند. این برد دارای گواهی IATF 16949 است.

روشنایی LED پرقدرت

یک LED ۱۰ وات روی برد آلومینای فیلم ضخیم ما دمای اتصال ۱۰۵ درجه سانتی‌گراد را نشان می‌دهد که بسیار پایین‌تر از حد مجاز ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد است. همین LED روی برد MCPCB به ۱۳۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. این اتصال مستقیم بازده نور و عمر مفید را بهبود می‌بخشد.

تأمین PCB سرامیکی: هزینه، زمان تحویل و حداقل مقدار سفارش

اعداد واقع‌بینانه به شما کمک می‌کنند بودجه و برنامه زمانی پروژه خود را برنامه‌ریزی کنید.

تفکیک هزینه برد مدار چاپی سرامیکی

• الومینای دو‌لایه 96%، هادی نقره‌ای ضخیم‌لایه، 100×80 میلی‌متر، پوشش ENIG: $8-12/قطعه در بسته‌های 100 عددی.
• آلومینای دو‌لایه 96%، مس فیلم ضخیم: $10–15/قطعه.
• رسانای طلایی LTCC چهارلایه، با همان اندازه: $25‑40/pc (به دلیل مراحل فرآوری بیشتر).
• برد DPC آلومینا تک‌لایه برای LED: $1–2 در هر سانتی‌متر مربع. این قیمت‌ها شامل هزینه‌های ابزارآلات نمی‌شوند. ابزارآلات (ابزارهای شابلون، ماسک‌های فوتو) معمولاً $500–1,000 هزینه دارد که ما آن را بر اساس حجم تولید مستهلک می‌کنیم.

حداقل مقدار سفارش (MOQ)

برای فرآیند استاندارد فیلم ضخیم، ما سفارش‌هایی با حداقل ۱۰ قطعه را می‌پذیریم. برای LTCC و HTCC، حداقل سفارش ۵۰ قطعه است به‌دلیل اندازه ثابت دسته‌ی هم‌پخت. تولید نمونه‌های اولیه با زمان تحویل کوتاه‌تر امکان‌پذیر است.

زمان‌های تحویل

• پروتوتایپ دو‌لایه فیلم ضخیم: ۱۰–۱۲ روز کاری (شامل برش لیزری)
• پروتوتایپ ۴ لایه LTCC: ۱۸–۲۰ روز کاری
• زمان تولید: ۱۵ تا ۲۵ روز بسته به حجم سفارش
• خدمات فوری: امکان انجام در ۵ تا ۷ روز برای فیلم ضخیم با استفاده از اندازه‌های خام موجود در انبار.

ما ظرف ۲۴ ساعت پس از دریافت فایل‌های گربر و استک‌آپ شما، قیمت‌گذاری سریع ارائه می‌دهیم.

استانداردهای کیفیت و قابلیت اطمینان برای بردهای مدار چاپی سرامیکی

فرض نکنید همه بردهای سرامیکی “بسیار قابل‌اعتماد” هستند. گواهی‌نامه اهمیت دارد.

گواهینامه IPC-6012 کلاس ۳

ما PCBهای سرامیکی را مطابق استاندارد IPC-6012 کلاس ۳ برای کاربردهای حیاتی می‌سازیم. کلاس ۳ نیازمند بازرسی 100% مقاطع عرضی ویای‌ها پس از شوک حرارتی است. کارخانه ما ۶ بار آزمون شوک حرارتی از −۶۵°C تا +۱۵۰°C را انجام می‌دهد و سپس ویای‌ها را به‌صورت میکرو-مقطعی بازرسی می‌کند. ما هیچ ترک یا جدایی لایه‌های داخلی را مجاز نمی‌دانیم. حلقه‌ی حلقوی روی پدهای خارجی باید حداقل 0.050 میلی‌متر باشد.

آزمایش‌های تکمیلی ما

• فلوت سرب در دمای ۲۸۸ درجه سانتی‌گراد به مدت ۱۰ ثانیه: هیچ لایه‌زدایی و هیچ تاول‌زدگی.
• قدرت کشش باند بیش از ۵ گرم‌نیوتن برای پدهای سیم‌بندی.
• آلودگی یونی کمتر از ۱.۵ میکروگرم بر سانتی‌متر مربع معادل NaCl.
• ولتاژ دوام دی‌الکتریک ۵۰۰ ولت DC برای فیلم ضخیم، ۱۵۰۰ ولت برای هم‌پخت.

کارخانه ما دارای گواهی‌های ISO 9001 و IATF 16949 است. ما با دستورالعمل‌های RoHS و REACH مطابقت داریم. ما از بازرسی اشعه ایکس بر روی هر برد چندلایه LTCC برای تأیید هم‌ترازی ویاس استفاده می‌کنیم.

چالش‌ها و ملاحظات

سرامیک جایگزین مستقیم و بی‌دردسر نیست. نیازمند طراحی دقیق است.

• شکنندگی: سرامیک می‌تواند در اثر ضربه مکانیکی ترک بخورد. از نصب کنسولی خودداری کنید. از براکت‌ها استفاده کنید یا کل برد را به یک حامل فلزی بچسبانید.
• اندازه محدود برد: حداکثر اندازهٔ یک قطعهٔ تکی پانل حدود ۲۰۰×۲۰۰ میلی‌متر است به‌دلیل تاب‌خوردن در هنگام هم‌پخت. مونتاژهای بزرگ‌تر باید از طراحی‌های مدولار استفاده کنند.
• زمان آماده شدن برای مواد سفارشی: قطعات خام اکسید برلیوم و آلومینیوم نیترید گاهی اوقات از تولیدکننده زیرلایه ۴ تا ۶ هفته زمان تأمین دارند. از قبل برنامه‌ریزی کنید.
• فرآیند لحیم‌کاری: بدون پیش‌گرم کردن، شوک حرارتی می‌تواند برد را ترک دهد. همیشه برد را تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد زیر نقطه ذوب قلع پیش‌گرم کنید.
• هزینه: برای محصولات با حجم مصرفی، سرامیک ممکن است بیش از حد مشخص‌شده باشد. از آن تنها در مواردی استفاده کنید که مزیت عملکرد حرارتی یا RF ارزشش را داشته باشد.

سوالات متداول

آیا می‌توانید روی برد مدار چینی لحیم‌کاری کنید؟

بله. قلع به‌خوبی به پوشش‌های نهایی سطح مانند ENIG، نقره–پالادیوم یا مس فیلم ضخیم می‌چسبد. از فلاکس مبتنی بر رزین و پیش‌گرم کنترل‌شده استفاده کنید تا از شوک حرارتی جلوگیری شود. برای LTCC با خمیر طلا، روی پدها ENIG آبکاری می‌کنیم تا قلع به‌درستی مرطوب شود.

ثابت دی‌الکتریک برد مدار چینی چیست؟

آلومینا 96% دارای ضریب دی‌الکتریک 9.4–9.8 است، AlN حدود 8.8 و BeO برابر 6.7. برای طراحی‌های RF، این مقدار بالاتر امکان استفاده از ردهای باریک‌تر با امپدانس معین را نسبت به FR-4 فراهم می‌کند.

حداکثر دمای برد مدار چینی (PCB) چقدر است؟

بردهای آلومینا و AlN می‌توانند به‌طور مداوم در دمای ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد کار کنند. بردهای SiC دمای بیش از ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد را تحمل می‌کنند. محدودیت دمایی معمولاً از خمیر فلزی ناشی می‌شود (طلا ذوب نمی‌شود، اما نقره در دمای بالا تحت ولتاژ DC ممکن است جابه‌جا شود) و هر قطعه مونتاژشده.

چگونه PCB سرامیکی را برش می‌دهید؟

ما از حک‌گذاری لیزری یا برش با اره الماسی استفاده می‌کنیم. به‌صورت دستی می‌توانید خطوط مستقیم را خراش دهید و بشکنید، اما انتظار لبه‌های زبر را داشته باشید. برای نمونه‌های اولیه، بردهایی را سفارش دهید که مسیریابی نهایی دور تا دور آن‌ها در کارخانه انجام شده باشد.

ضخامت یک PCB سرامیکی چقدر است؟

ضخامت‌های استاندارد زیرلایه عبارتند از 0.25 میلی‌متر، 0.38 میلی‌متر، 0.5 میلی‌متر، 0.635 میلی‌متر و 1.0 میلی‌متر. برای عایق‌بندی ولتاژ بالا می‌توان از زیرلایه‌های ضخیم‌تر تا 2.0 میلی‌متر استفاده کرد.

قیمت یک برد مدار چاپی سرامیکی در مقایسه با FR-4 چقدر است؟

هزینهٔ یک برد سرامیکی به ازای هر واحد سطح ۵ تا ۳۰ برابر بیشتر از FR-4 است، اما وقتی سخت‌افزار مدیریت حرارتی را حذف کرده و قابلیت اطمینان را افزایش دهید، هزینه در سطح سیستم می‌تواند کمتر باشد.

آیا PCBهای سرامیکی می‌توانند بیش از دو لایه داشته باشند؟

بله. HTCC و LTCC به‌راحتی از ۴ تا ۱۰ لایه پشتیبانی می‌کنند. ما اجزای پسیو را به‌صورت داخلی جاسازی می‌کنیم که تراکم عملکردی را افزایش می‌دهد.

نکات کلیدی

• بسترهای سرامیکی PCB (آلومینا، AlN و غیره) گرما را ۱۰۰ برابر سریع‌تر از FR-4 هدایت می‌کنند.
• CTE پایین با بسته‌های سیلیکونی و سرامیکی مطابقت دارد و از خستگی لحیم جلوگیری می‌کند.
• فرآیند ساخت مناسب را انتخاب کنید: فیلم ضخیم برای هزینه، LTCC برای دقت/RF، HTCC برای چندلایه با دمای بسیار بالا.
• قوانین DFM را اعمال کنید: ویاس‌ها را ۲ میلی‌متر از لبه‌ها فاصله دهید، از قطرات قلع استفاده کنید، لحیم‌کاری را از قبل گرم کنید.
• هزینهٔ کل را در نظر بگیرید، نه فقط قیمت برد؛ سرامیک در هزینه‌های خنک‌سازی و خرابی‌های میدانی صرفه‌جویی می‌کند.
• با کارخانه‌ای کار کنید که گواهی IPC-6012 کلاس ۳ و زمان‌های تحویل واقعی را ارائه می‌دهد.

تیم ما بیش از ۱۵ سال تجربه در تولید بردهای مدار چاپی سرامیکی دارد. ما از انتخاب مواد تا بازرسی اولین قطعه از شما پشتیبانی می‌کنیم. فایل‌های طراحی یا نیازمندی‌های خود را برای بازبینی رایگان طراحی و برآورد هزینه به مهندسان ما ارسال کنید. ما بردهای سرامیکی قابل‌اعتمادی را تحویل می‌دهیم که در سخت‌ترین محیط‌ها عملکردی عالی دارند.