Bảng mạch in gốm (PCB): Hướng dẫn toàn diện về thiết kế và sản xuất

Bảng mạch in gốm là gì?

Mạch in gốm sử dụng chất nền gốm vô cơ thay vì chất nền truyền thống FR-4 sợi thủy tinh. Các vật liệu nền phổ biến bao gồm nhôm oxit (Al₂O₃), nitrua nhôm (AlN) và oxit berili (BeO). Các loại bảng mạch này dẫn nhiệt tốt hơn nhiều so với các loại laminate hữu cơ. Ngoài ra, chúng chịu được nhiệt độ lên đến 350°C đối với nhôm oxit tiêu chuẩn và thậm chí cao hơn đối với SiC. Các kỹ sư chọn PCB gốm khi họ cần độ dẫn nhiệt cao, hiệu suất điện ổn định ở tần số cao hoặc hệ số giãn nở nhiệt (CTE) phù hợp với chip silicon. Không giống như các bảng mạch lõi kim loại, gốm không có lớp cách nhiệt giữa linh kiện và vật liệu tản nhiệt. Các linh kiện nằm trực tiếp trên gốm, giúp giảm sức cản nhiệt. Đường dẫn trực tiếp này giúp giữ nhiệt độ mối nối ở mức thấp và kéo dài tuổi thọ sản phẩm.

Các loại bảng mạch in gốm

Có ba nhóm quy trình chính. Mỗi nhóm phù hợp với các mục tiêu về hiệu suất và chi phí khác nhau.

Gốm nung chung ở nhiệt độ cao (HTCC)

HTCC sử dụng chất nền alumina kết hợp với bột kim loại chịu lửa — vonfram hoặc molypden. Chúng tôi in lưới mẫu mạch lên băng gốm thô, xếp chồng các lớp, sau đó nung toàn bộ ở nhiệt độ 1600–1700°C trong môi trường khí khử (hydro). Nhiệt độ cao giúp nung kết gốm và kim loại thành một tấm mạch nguyên khối. HTCC rất phù hợp cho các chất nền nhỏ, có số lớp cao. Tuy nhiên, quá trình nung ở nhiệt độ cực cao gây ra độ co ngót 15–20%; chúng tôi bù đắp sự co ngót này trong quá trình thiết kế CAM. Các kim loại chịu lửa có điện trở suất cao hơn đồng, do đó các đường dẫn HTCC có tổn thất cao hơn. Sử dụng HTCC khi bạn cần nhiều lớp (lên đến 10) và có thể chấp nhận độ rộng đường dẫn lớn hơn. Nhà máy của chúng tôi có thể duy trì độ rộng đường dẫn/khoảng cách 100 µm sau khi hiệu chỉnh độ co ngót.

Gốm nung chung ở nhiệt độ thấp (LTCC)

LTCC được nung ở nhiệt độ khoảng 900°C. Nhiệt độ thấp hơn này cho phép chúng ta sử dụng các loại bột kim loại quý — vàng, bạc hoặc vàng-palladium. Chất nền ban đầu là một dải composite thủy tinh-gốm. Chúng ta in các đường dẫn điện, đục lỗ vias bằng laser hoặc dụng cụ đục cơ học, lấp đầy chúng bằng bột kim loại, và ép các lớp lại với nhau. Quá trình nung chung trong lò oxy hóa sẽ liên kết tất cả các thành phần lại với nhau. LTCC mang lại khả năng kiểm soát kích thước tốt hơn so với HTCC (chỉ co ngót 0,1–0,2%), do đó chúng tôi đạt được các đường dẫn mảnh hơn: thông thường là 75 µm đường dẫn/khoảng cách. Vì kim loại nung là vàng, nên việc hàn ướt đòi hỏi phải có lớp phủ đệm đặc biệt. Chúng tôi thường thêm ENIG (mạ niken không điện và mạ vàng ngâm) như một lớp hoàn thiện cuối cùng. LTCC rất phù hợp cho các ứng dụng tần số vô tuyến (RF) và tín hiệu hỗn hợp nhờ hằng số điện môi đồng nhất và tổn hao thấp.

Bảng mạch in gốm màng dày

Công nghệ màng dày bắt đầu từ một chất nền gốm đã qua nung sơ bộ (thường là nhôm oxit 96%). Chúng tôi in lụa các loại bột dẫn điện, điện trở và điện môi theo từng lớp. Mỗi lớp được nung ở nhiệt độ 850–1000°C. Bột dẫn điện là vàng hoặc bạc-palladium; bột điện môi có tác dụng cách điện giữa các lớp. Sau khi nung, chúng tôi có thể cắt điện trở bằng laser với dung sai ±1%. Màng dày là quy trình gốm có chi phí thấp nhất để tạo mẫu và sản xuất với số lượng vừa phải. Đồng màng dày nhiều lớp là một biến thể hiện đại: chúng tôi in bột đồng và nung trong môi trường nitơ. Điều này giải quyết các vấn đề về chi phí bột vàng và khả năng hàn. Các bảng mạch màng dày có thể xử lý độ dày đồng hoàn thiện 10–15 µm, đủ cho hầu hết các mạch điện lên đến 10 A.

So sánh các vật liệu PCB gốm

Việc lựa chọn loại gốm phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt và chi phí.

Vật liệu	Độ dẫn nhiệt (W/m·K)	CTE (ppm/°C)	Hằng số điện môi	Nhiệt độ hoạt động tối đa (°C)	Trường hợp sử dụng điển hình
Alumina 96%	20–24	6,5–7,0	9.4	350	Mô-đun LED, bộ nguồn lai
Alumina 99,61% TP3T	28–30	7.0	9.8	350	Chất nền RF, khung gắn chip
Nitrua nhôm (AlN)	170–230	4.5	8.8	400	Bộ khuếch đại GaN công suất cao, bộ biến tần cho xe điện
Ôxít berili (BeO)	260	6.4	6.7	450	Radar quân sự (chất độc hại — cần xử lý đặc biệt)
Cacbua silic (SiC)	120–270	4.0	40	800+	Cảm biến nhiệt độ cực cao

Alumina 96% mang lại sự cân bằng tối ưu giữa giá cả và hiệu suất. AlN có giá cao gấp khoảng 3 lần nhưng giúp giảm nhiệt độ điểm nối hơn 20°C trong thiết kế 50 W. Khoảng trống nhiệt dư thừa này có thể giúp tăng gấp đôi thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc của hệ thống. Nhà máy của chúng tôi có sẵn cả tấm alumina 96% và 99.6% với kích thước 4″×4″ và 6″×8″. Tấm AlN có sẵn theo yêu cầu với thời gian giao hàng lâu hơn một chút.

Những ưu điểm chính của bảng mạch in gốm

Độ dẫn nhiệt vượt trội

FR-4 có hệ số dẫn nhiệt khoảng 0,25 W/m·K. Ngay cả nhôm oxit tiêu chuẩn (24 W/m·K) cũng dẫn nhiệt nhanh hơn 96 lần. Nitrua nhôm có hệ số dẫn nhiệt từ 170–230 W/m·K. Điều này có nghĩa là một lớp đồng dày 1 ounce trên nền gốm sẽ hoạt động như một bộ tản nhiệt hiệu quả. Ví dụ, một đường dẫn đồng rộng 2 mm, dày 0,3 mm ở 100 A sẽ chỉ tăng 5°C so với nhiệt độ môi trường trên bảng alumina. Đường dẫn tương tự trên FR-4 sẽ quá nóng và bị bong tróc. Việc lắp đặt linh kiện trực tiếp trên gốm giúp loại bỏ các lớp vật liệu giao diện nhiệt, giảm tổng điện trở từ điểm nối đến môi trường.

Khả năng chịu nhiệt độ cao

Các tấm mạch in HTCC và tấm mạch in nhôm oxit màng dày của chúng tôi có thể hoạt động liên tục ở nhiệt độ 350°C. Các tấm mạch in SiC có thể chịu được nhiệt độ trên 800°C. Vật liệu FR-4 truyền thống có nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Tg) từ 130–170°C; nó sẽ mềm ra và hỏng hóc ngay cả khi nhiệt độ còn thấp hơn 200°C. Khả năng chịu nhiệt độ cao này khiến các tấm mạch in gốm trở nên không thể thiếu trong các công cụ khoan dưới lòng đất, hệ thống dẫn đường tên lửa và các cảm biến ô tô đặt dưới nắp ca-pô.

Vỏ gói silicon và gốm có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp

Các chip silicon giãn nở với tốc độ khoảng 2,6 ppm/°C. Vỏ chip gốm không chân (LCCC) có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) là 6–7 ppm/°C. Vật liệu FR-4 giãn nở với tốc độ 14–17 ppm/°C. Sự không tương thích này gây ra hiện tượng mỏi mối hàn trong quá trình thử nghiệm chu kỳ nhiệt. Một PCB gốm có CTE 6,5 ppm/°C gần như hoàn toàn phù hợp với gói. Trong các thử nghiệm độ tin cậy của chúng tôi, các mối hàn gốm-LCCC chịu được 2.000 chu kỳ sốc nhiệt (−55°C đến +125°C) mà không bị nứt, trong khi các mối hàn tương tự trên FR-4 bị hỏng sau 500 chu kỳ.

Khả năng cách điện vượt trội và hiệu suất tần số cao

Độ bền điện môi trên nền nhôm oxit vượt quá 20 kV/mm. Hằng số điện môi duy trì ổn định trong mọi điều kiện nhiệt độ và tần số, với hệ số tổn hao thấp. Điều này cho phép thiết kế các đường dẫn có độ trở kháng cao cho tần số vô tuyến (RF) lên đến 20 GHz. Đối với các bảng mạch LTCC tín hiệu hỗn hợp, điện dung ký sinh có thể giảm gần 90% so với các thiết kế FR-4. Sự giảm này giúp giảm nhiễu chéo và cải thiện độ chính xác của quá trình chuyển đổi từ analog sang kỹ thuật số.

Độ bền cơ học và tính ổn định lâu dài

Mặc dù có tính giòn, các chất nền gốm vẫn có độ bền nén cao (alumina ~2.000 MPa). Chúng có khả năng chống lại sự ăn mòn hóa học do nhiên liệu, axit và dung môi tẩy rửa gây ra. Khả năng hấp thụ độ ẩm gần như bằng không, do đó các tính chất điện không bị biến đổi. Các bảng mạch của chúng tôi đáp ứng IPC-TM-650 các thử nghiệm về khả năng chống ẩm mà không gây ra bất kỳ sự suy giảm nào.

Tích hợp mật độ cao và thu nhỏ

Chúng tôi sử dụng các lỗ vi mô được khoan bằng laser với đường kính nhỏ nhất chỉ 0,06 mm. Kết hợp với quy trình LTCC đường mạch mảnh (khoảng cách đường mạch 75 µm), bạn có thể bố trí nhiều linh kiện hơn trên một diện tích nhỏ hơn. Công nghệ nung đồng thời nhiều lớp cho phép chúng tôi nhúng các linh kiện thụ động — điện trở, tụ điện — vào bên trong chất nền trong quá trình thiêu kết. Điều này giải phóng diện tích bề mặt cho các chip hoạt động và đầu nối. Một bảng mạch LTCC duy nhất có thể thay thế toàn bộ cụm lắp ráp FR-4 nhiều bảng mạch, giúp giảm trọng lượng và thể tích.

Tại sao nên sử dụng PCB gốm thay vì các loại bảng mạch khác?

Độ dẫn nhiệt: Những con số thực tế

FR‑4: 0,25 W/m·K. MCPCB (mặt sau bằng nhôm): 1–2 W/m·K, nhưng vẫn sử dụng lớp cách điện, tạo ra điểm nghẽn. Gốm alumina: 24 W/m·K, không có lớp cách nhiệt. Do đó, nhiệt truyền ngay lập tức từ đế linh kiện sang thân gốm. Đèn LED 10 W trên MCPCB có thể đạt nhiệt độ điểm nối 120°C; cùng loại đèn LED trên alumina vẫn duy trì dưới 100°C. Hoạt động mát hơn này giúp tăng gấp đôi tuổi thọ duy trì quang thông.

So sánh giá và Tổng chi phí sở hữu

Bảng mạch gốm có giá cao hơn tính theo đơn vị diện tích. Một bảng mạch nhôm oxit 2 lớp 96% (100 × 80 mm) có giá khoảng $0.8–1.2/cm² khi mua số lượng lớn (hơn 100 chiếc). Trong khi đó, một bảng mạch FR-4 bốn lớp tương đương có giá $0.10/cm². Tuy nhiên, chi phí hệ thống lại cho thấy một bức tranh khác. Gốm giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng miếng đệm nhiệt, bộ tản nhiệt và tản nhiệt lớn. Đối với bộ nguồn 50 W, khoản tiết kiệm về phần cứng làm mát và nhân công lắp ráp thường vượt quá $10 cho mỗi đơn vị. Phiên bản gốm cũng giúp giảm số lượng hàng trả lại. Trong suốt vòng đời sản phẩm, gốm mang lại tổng chi phí sở hữu thấp hơn.

Ứng dụng công nghệ: Khi gốm sứ tỏa sáng

Nên sử dụng gốm sứ trong các trường hợp sau:

• Nhiệt độ tại điểm nối phải duy trì dưới 150°C trong điều kiện nhiệt độ môi trường cao.
• Thiết kế này có nhiều linh kiện nhạy cảm với hệ số giãn nở nhiệt (chíp trần, IC đóng gói gốm).
• Bạn cần hiệu suất RF ở tần số trên 5 GHz.
• Sản phẩm phải chịu tác động của rung động mạnh hoặc môi trường ăn mòn.
• Quá trình thu nhỏ kích thước đòi hỏi phải sử dụng các lỗ thông mạch ẩn/chôn ngầm và các linh kiện thụ động nhúng.

Nếu các yêu cầu của bạn chỉ ở mức nhiệt độ vừa phải và chi phí là yếu tố quan trọng hàng đầu, thì MCPCB hoặc FR-4 đồng dày có thể là lựa chọn phù hợp. Tuy nhiên, một khi gặp phải rào cản về nhiệt, vật liệu gốm sẽ giải quyết được vấn đề.

Cách sản xuất bảng mạch in gốm (PCB)?

Chúng tôi áp dụng bốn quy trình sản xuất chính tại nhà máy. Tôi sẽ giới thiệu sơ lược từng quy trình.

Quy trình HTCC

1. Đúc bằng băng: Chúng tôi trộn bột nhôm oxit với chất kết dính hữu cơ rồi đúc thành các tấm xanh mỏng.
2. Cắt lỗ và đục lỗ via: Chúng tôi cắt tấm thành các tấm có kích thước theo yêu cầu và đục lỗ thông qua phương pháp đục lỗ bằng khuôn hoặc khoan laser.
3. Thông qua quá trình điền và in: Đổ bột vonfram vào các lỗ vias. In lưới các đường dẫn điện trên từng lớp.
4. Laminate: Xếp các lớp vào khuôn ép dưới tác động của nhiệt và áp suất.
5. Đốt hỗn hợp: Nung khối vật liệu ép lớp ở nhiệt độ 1600–1700°C trong 32–48 giờ trong môi trường khí hydro-nitơ được kiểm soát. Chất kết dính bị đốt cháy, và gốm sứ kết tụ với kim loại.
6. Xử lý sau: Cắt gọt bằng laser các điện trở nhúng. Thực hiện các công đoạn hoàn thiện bề mặt (ENIG, mạ bạc ngâm) nếu cần thiết.

Quy trình LTCC

Các bước thực hiện tương tự, nhưng sử dụng băng gốm thủy tinh, bột vàng và nung ở nhiệt độ 900°C trong môi trường không khí. Không cần sử dụng hydro. Kích thước lỗ via có thể thu nhỏ xuống còn 0,1 mm. Chúng ta có thể tích hợp cuộn cảm và tụ điện vào bên trong lớp xếp chồng.

Quy trình màng dày

1. Bắt đầu với một tấm nền nhôm oxit đã qua xử lý nhiệt.
2. In lụa lớp dẫn điện (vàng hoặc bạc-palladium), để khô, rồi nung ở nhiệt độ 850–1000°C.
3. In lớp điện môi để cách điện, sau đó nung.
4. Lặp lại quy trình này cho từng lớp. Đối với lớp đồng màng dày, hãy in và nung trong môi trường nitơ.
5. Phủ lớp men phủ cuối cùng hoặc lớp chống hàn (nếu cần).
6. Điều chỉnh điện trở bằng tia laser cho đến khi đạt giá trị mong muốn.

Thông số kỹ thuật tiêu biểu của mạch phim dày: khoảng cách đường dẫn/khoảng trống 125 µm, đường kính lỗ via 0,3 mm, tối đa 4 lớp dẫn điện, độ dày đồng hoàn thiện 10–15 µm mỗi lớp.

Đồng mạ trực tiếp (DPC) và Đồng liên kết trực tiếp (DCB)

Đây là những phương pháp đơn giản hơn dành cho bảng mạch một mặt hoặc hai mặt. Công nghệ DPC phủ một lớp đồng nền lên gốm bằng phương pháp phún xạ, sau đó mạ điện để đạt độ dày mong muốn. Công nghệ DCB liên kết một lá đồng dày (0,1–0,3 mm) trực tiếp lên alumina hoặc AlN ở nhiệt độ cao trong môi trường nitơ. Chúng tôi sử dụng DPC cho các gói LED và DCB cho các mô-đun IGBT dòng điện cao. Cả hai phương pháp đều mang lại hiệu suất nhiệt tuyệt vời với độ dày đồng lên đến 300 µm.

Nhà máy của chúng tôi sản xuất các kích thước bảng mạch tiêu chuẩn: 4″×4″, 5″×5″, 6″×8″ và 8″×10″. Số lớp dao động từ 1 đến 6 đối với mạch phim dày, và lên đến 10 đối với HTCC/LTCC. Chúng tôi đạt được đường/khoảng cách 75 µm trên LTCC, 100 µm trên HTCC. Các loại hoàn thiện bề mặt bao gồm ENIG, ENEPIG, bạc ngâm và vàng mềm có thể hàn dây bằng vàng nguyên chất.

Hướng dẫn thiết kế PCB gốm và Danh sách kiểm tra DFM

Thiết kế sản phẩm gốm sứ đòi hỏi sự cẩn trọng đặc biệt để tránh nứt vỡ và giảm chất lượng sản phẩm. Tôi sẽ chia sẻ với các bạn những nguyên tắc quan trọng nhất dựa trên kinh nghiệm 15 năm của nhà máy chúng tôi.

Khoảng cách từ trung tâm đến mép

Lỗi thường gặp nhất mà chúng tôi ghi nhận là các lỗ via bị nứt gần mép bảng mạch. Gốm sứ là vật liệu dễ vỡ. Khi tách các bảng mạch đã được ghép thành tấm bằng cưa kim cương hoặc tia laser, các vết nứt vi mô có thể lan rộng vào bên trong. Hãy đảm bảo khoảng cách giữa tâm của tất cả các lỗ via và mép bảng mạch hoàn thiện phải ít nhất là 2,0 mm. Nếu thiết kế bắt buộc phải đặt lỗ via gần mép hơn, hãy sử dụng các miếng đệm hình giọt nước để gia cố. Chiều dài của hình giọt nước bằng 0,5 lần đường kính miếng đệm sẽ giúp tăng đáng kể khả năng chống nứt.

Thiết kế lỗ và đế

Sử dụng các điểm nối hình giọt nước trên mọi lỗ vias và pad SMD. Điều này giúp phân tán ứng suất cơ học. Đường kính vòng tròn tối thiểu phải là 0,15 mm để đạt độ tin cậy loại 3. Tránh đặt các lỗ vias dưới các góc của BGA, nơi ứng suất tập trung trong quá trình thay đổi nhiệt độ.

Hồ sơ hàn

Gốm sứ có khối lượng nhiệt và độ dẫn nhiệt cao. Quá trình làm nóng trước trở nên rất quan trọng. Xưởng lắp ráp của chúng tôi sử dụng tốc độ tăng nhiệt 2,5°C/giây, duy trì nhiệt độ 150–170°C trong 90 giây và nhiệt độ đỉnh của quá trình hàn lại là 245°C đối với chất hàn SAC305. Bảng mạch chỉ cần duy trì nhiệt độ trên 217°C trong 45–60 giây để tránh làm quá nhiệt các linh kiện nhạy cảm. Đối với THT, hãy sử dụng mỏ hàn có nhiệt độ được kiểm soát và làm nóng trước bảng mạch tại vị trí cụ thể. Tuyệt đối không được sử dụng ngọn lửa trực tiếp.

Việc lắp đặt và xử lý linh kiện

Đặt các linh kiện nặng (biến áp, điện trở công suất cao) cách xa các mép và góc. Sử dụng chất lấp đầy (under-fill) cho các gói BGA cỡ lớn để bù đắp sự chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt (CTE) giữa bảng mạch gốm và chất nền hữu cơ của chip. Trong quá trình thao tác thủ công, hãy sử dụng kẹp chống tĩnh điện (ESD) có đầu mềm. Các mép gốm rất sắc nhọn; hãy đeo găng tay. Các nhân viên vận hành của chúng tôi sử dụng kẹp hút chân không để di chuyển các tấm bảng lớn.

Kiểm soát trở kháng và đường dẫn tần số vô tuyến

Hằng số điện môi của gốm (9,4–9,8) khác với FR‑4 (4,5). Luôn tính toán lại kích thước đường dẫn bằng phần mềm giải phương trình trường thích hợp, không dùng máy tính FR‑4 thông thường. Đối với dải vi sóng 50 Ω trên gốm alumina 96% dày 0,635 mm, chiều rộng đường dẫn khoảng 0,6 mm. Chúng tôi cung cấp dữ liệu xếp lớp và thử nghiệm trở kháng kiểm soát cho các cặp vi sai lên đến 20 GHz.

PTH và Via Fill

Chúng tôi lấp đầy các lỗ vias bằng bột dẫn điện trong quá trình nung đồng thời. Trong công nghệ màng dày, các lỗ vias được lấp đầy bằng vật liệu cách điện hoặc để trống. Vui lòng chỉ định thiết kế via-in-pad nếu quý khách cần các lỗ vias được lấp đầy và mạ phủ bên ngoài. Chúng tôi có thể làm phẳng bề mặt bằng quy trình mài cho các mạch BGA có khoảng cách chân nhỏ.

Ứng dụng của bảng mạch in gốm

Mô-đun bộ nhớ và kỹ thuật số tốc độ cao

Các mô-đun bộ nhớ DDR tốc độ cao tận dụng được ưu điểm về tổn thất điện môi thấp và tính ổn định nhiệt của vật liệu gốm. Khách hàng của chúng tôi sử dụng bảng mạch LTCC để bố trí các đường truyền 64-bit với độ lệch pha được giảm thiểu. Hằng số điện môi ổn định giúp giảm nhiễu giữa các ký tự.

Mô-đun thu/phát (RF)

Các bộ thu phát thông tin liên lạc vệ tinh đòi hỏi phải sử dụng các chất nền có độ suy hao thấp. Các tấm nền alumina và AlN có lỗ xuyên laser 0,06 mm cho phép chế tạo các ăng-ten mảng pha có kích thước nhỏ gọn. Đối với một bộ khuếch đại công suất vệ tinh 50 W, tấm nền AlN đã giúp duy trì nhiệt độ đỉnh dưới 150°C. Thiết kế này hoạt động ổn định trong môi trường chân không mà không cần làm mát bằng đối lưu.

Bảng mạch kết nối nhiều lớp

Sử dụng công nghệ HTCC/LTCC, chúng tôi tích hợp tối đa 30 linh kiện thụ động nhúng vào bên trong một bảng mạch 6 lớp. Điều này giúp thu gọn một cụm 4 bảng mạch FR-4 thành một mô-đun gốm duy nhất. Một khách hàng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ đã giảm được 70% trọng lượng và tăng mật độ kết nối lên gấp 5 lần.

Bảng mạch in tín hiệu hỗn hợp analog/digital

Điện dung ký sinh làm giảm hiệu suất của bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC). Nhờ sử dụng công nghệ LTCC, chúng tôi đã giảm điện dung ký sinh giữa các phần tương tự và số xuống khoảng 90% so với mạch tương tự trên vật liệu FR-4. Mức nhiễu nền của bảng mạch đã giảm 12 dB.

Hàng không vũ trụ và điện tử hàng không

Hệ thống điều khiển tên lửa hoạt động ở nhiệt độ môi trường 300°C. Các bo mạch HTCC của chúng tôi có thể chịu được hàng nghìn chu kỳ va đập và rung động. Không cần phủ lớp bảo vệ vì gốm là vật liệu trơ.

Điện tử công suất trong ngành ô tô và xe điện

Một trạm sạc xe điện sử dụng bo mạch AlN DCB để xử lý dòng điện liên tục 200 A. Mức tăng nhiệt độ duy trì dưới 20°C. Bo mạch này đã đạt chứng nhận IATF 16949.

Hệ thống chiếu sáng LED công suất cao

Một đèn LED 10 W trên bảng mạch nhôm oxit màng dày của chúng tôi có nhiệt độ điểm nối là 105°C, thấp hơn nhiều so với giới hạn 120°C. Cùng loại đèn LED này khi được gắn trên bảng mạch MCPCB lại đạt tới 130°C. Phương pháp hàn trực tiếp này giúp cải thiện công suất phát sáng và tuổi thọ.

Mua sắm PCB gốm: Chi phí, thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu

Những con số thực tế sẽ giúp bạn lập kế hoạch ngân sách và tiến độ cho dự án.

Phân tích chi phí bảng mạch in gốm

• Bảng mạch 2 lớp 96% bằng nhôm oxit, dây dẫn bạc màng dày, kích thước 100×80 mm, bề mặt mạ ENIG: $8‑12/chiếc (đơn giá cho lô 100 chiếc).
• Alumina 2 lớp 96%, đồng màng dày: $10–15/chiếc.
• Dây dẫn vàng LTCC 4 lớp, cùng kích thước: $25-40/chiếc (do có nhiều công đoạn sản xuất hơn).
• Bảng mạch DPC AlN 1 lớp cho đèn LED: $1–2 trên mỗi cm². Các mức giá này chưa bao gồm chi phí khuôn mẫu. Chi phí khuôn mẫu (khuôn in lưới, khuôn quang) thường dao động từ $500–1.000, và chúng tôi phân bổ chi phí này theo khối lượng sản xuất.

Số lượng đặt hàng tối thiểu (MOQ)

Đối với quy trình màng dày tiêu chuẩn, chúng tôi nhận đơn hàng với số lượng tối thiểu chỉ từ 10 chiếc. Đối với LTCC và HTCC, số lượng đặt hàng tối thiểu (MOQ) là 50 chiếc do kích thước lô nung chung cố định. Chúng tôi cũng cung cấp dịch vụ sản xuất mẫu thử với thời gian giao hàng ngắn hơn.

Thời gian giao hàng

• Mẫu thử nghiệm màng dày 2 lớp: 10–12 ngày làm việc (bao gồm cả gia công cắt bằng laser)
• Mẫu thử nghiệm LTCC 4 lớp: 18–20 ngày làm việc
• Thời gian sản xuất: 15–25 ngày tùy theo số lượng
• Dịch vụ giao hàng nhanh: Có thể hoàn thành trong 5–7 ngày đối với màng dày khi sử dụng các kích thước phôi có sẵn trong kho.

Chúng tôi sẽ gửi báo giá nhanh chóng trong vòng 24 giờ sau khi nhận được các tệp Gerber và bản vẽ xếp lớp của quý khách.

Tiêu chuẩn chất lượng và độ tin cậy đối với bảng mạch in gốm

Đừng cho rằng tất cả các bo mạch gốm đều “có độ tin cậy cao”. Chứng nhận là yếu tố quan trọng.

Chứng nhận IPC-6012 Loại 3

Chúng tôi sản xuất bảng mạch in gốm (PCB) theo tiêu chuẩn IPC-6012 Loại 3 dành cho các ứng dụng quan trọng. Loại 3 yêu cầu kiểm tra 100% đối với mặt cắt ngang của các lỗ via sau khi chịu sốc nhiệt. Nhà máy của chúng tôi thực hiện 6 lần thử nghiệm sốc nhiệt từ −65°C đến +150°C và sau đó cắt vi mạch thành các phần nhỏ. Chúng tôi không chấp nhận bất kỳ vết nứt hoặc sự tách lớp bên trong nào. Vòng tròn trên các pad bên ngoài phải có đường kính tối thiểu 0,050 mm.

Các xét nghiệm bổ sung mà chúng tôi thực hiện

• Hàn ở nhiệt độ 288°C trong 10 giây: không bị bong tróc, không bị phồng rộp.
• Độ bền kéo của mối hàn dây >5 gf đối với các điểm hàn dây.
• Hàm lượng ion <1,5 µg/cm² (tính theo NaCl).
• Điện áp chịu đựng điện môi 500 V DC đối với màng dày, 1.500 V đối với màng nung chung.

Nhà máy của chúng tôi đã được cấp chứng nhận ISO 9001 và IATF 16949. Chúng tôi tuân thủ các chỉ thị RoHS và REACH. Chúng tôi sử dụng phương pháp kiểm tra bằng tia X cho mọi bảng mạch LTCC nhiều lớp để xác minh độ chính xác của các lỗ via.

Những thách thức và vấn đề cần lưu ý

Gốm sứ không phải là vật liệu có thể thay thế một cách đơn giản. Nó đòi hỏi một thiết kế được cân nhắc kỹ lưỡng.

• Độ giòn: Gốm sứ có thể bị nứt vỡ khi chịu tác động cơ học. Tránh lắp đặt theo kiểu đòn bẩy. Nên sử dụng giá đỡ hoặc dán toàn bộ bảng mạch vào một khung kim loại.
• Kích thước bảng giới hạn: Kích thước tối đa của một tấm đơn là khoảng 200×200 mm do hiện tượng cong vênh trong quá trình nung chung. Các cụm có kích thước lớn hơn phải sử dụng thiết kế mô-đun.
• Thời gian sản xuất đối với vật liệu đặt hàng riêng: Thời gian giao hàng của các tấm phôi oxit berili và AlN từ nhà sản xuất chất nền đôi khi kéo dài từ 4 đến 6 tuần. Hãy lên kế hoạch sớm.
• Quy trình hàn: Nếu không làm nóng trước, sốc nhiệt có thể làm nứt bảng mạch. Luôn làm nóng trước đến nhiệt độ cách điểm nóng chảy của hàn chì không quá 100°C.
• Giá: Đối với các sản phẩm tiêu dùng đại trà, việc sử dụng gốm sứ có thể là không cần thiết. Chỉ nên sử dụng vật liệu này khi những lợi ích về hiệu suất nhiệt hoặc tần số vô tuyến mang lại giá trị tương xứng.

Câu hỏi thường gặp

Có thể hàn lên bảng mạch in gốm không?

Đúng vậy. Chất hàn bám dính tốt trên các bề mặt mạ như ENIG, bạc-palladium hoặc đồng màng dày. Nên sử dụng chất trợ hàn gốc nhựa thông và thực hiện quá trình làm nóng trước có kiểm soát để tránh sốc nhiệt. Đối với LTCC dùng bột vàng, chúng tôi mạ lớp ENIG lên các điểm tiếp xúc để đảm bảo chất hàn bám đều.

Hằng số điện môi của bảng mạch in gốm là bao nhiêu?

Alumina 96% có hằng số điện môi từ 9,4 đến 9,8, AlN khoảng 8,8, còn BeO là 6,7. Trong thiết kế tần số vô tuyến (RF), giá trị cao hơn này cho phép sử dụng các đường dẫn hẹp hơn với cùng một trở kháng so với FR-4.

Nhiệt độ tối đa cho bảng mạch in gốm là bao nhiêu?

Các tấm alumina và AlN có thể hoạt động liên tục ở nhiệt độ 350°C. Các tấm SiC có thể chịu được nhiệt độ trên 800°C. Giới hạn nhiệt độ thường phụ thuộc vào hỗn hợp kim loại (vàng không nóng chảy, nhưng bạc có thể di chuyển ở nhiệt độ cao khi có điện áp một chiều) và các linh kiện được lắp ráp.

Làm thế nào để cắt bảng mạch in bằng gốm?

Chúng tôi sử dụng phương pháp khắc laser hoặc cắt bằng cưa kim cương. Nếu thực hiện thủ công, bạn có thể tạo vết rạch và bẻ gãy theo đường thẳng, nhưng các mép sẽ không được nhẵn. Đối với các mẫu thử, hãy đặt hàng các bảng mạch đã được gia công đường viền hoàn thiện tại nhà máy.

Bảng mạch in gốm dày bao nhiêu?

Các độ dày tiêu chuẩn của vật liệu nền là 0,25 mm, 0,38 mm, 0,5 mm, 0,635 mm và 1,0 mm. Có thể sử dụng vật liệu nền dày hơn, lên đến 2,0 mm, để cách ly điện áp cao.

Giá của một bảng mạch in gốm so với FR-4 là bao nhiêu?

Giá thành trên mỗi đơn vị diện tích của tấm gốm cao gấp 5–30 lần so với FR-4, nhưng chi phí ở cấp hệ thống có thể thấp hơn khi loại bỏ các thiết bị quản lý nhiệt và nâng cao độ tin cậy.

Bảng mạch in gốm có thể có hơn 2 lớp không?

Đúng vậy. HTCC và LTCC dễ dàng hỗ trợ từ 4 đến 10 lớp. Chúng tôi tích hợp các linh kiện thụ động bên trong, giúp tăng mật độ chức năng.

Những điểm chính

• Các chất nền PCB gốm (như alumina, AlN, v.v.) dẫn nhiệt nhanh hơn FR-4 gấp 100 lần.
• Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp tương thích với các vỏ bọc bằng silicon và gốm, giúp ngăn ngừa hiện tượng mỏi hàn.
• Chọn quy trình sản xuất phù hợp: công nghệ màng dày (thick film) để tiết kiệm chi phí, LTCC cho độ chính xác cao và ứng dụng tần số vô tuyến (RF), HTCC cho các mạch đa lớp chịu nhiệt độ cực cao.
• Áp dụng các quy tắc DFM: giữ khoảng cách 2 mm giữa các lỗ vias và mép, sử dụng hình giọt nước, làm nóng trước khi hàn.
• Hãy tính đến tổng chi phí, không chỉ giá thành bo mạch; vật liệu gốm giúp tiết kiệm chi phí cho hệ thống làm mát và giảm thiểu sự cố trong quá trình vận hành.
• Hợp tác với một nhà máy có chứng nhận IPC-6012 Loại 3 và thời gian giao hàng hợp lý.

Đội ngũ của chúng tôi có hơn 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất bảng mạch in gốm (PCB). Chúng tôi hỗ trợ quý khách từ khâu lựa chọn vật liệu cho đến kiểm tra mẫu đầu tiên. Hãy gửi các tệp thiết kế hoặc yêu cầu của quý khách đến các kỹ sư của chúng tôi để được đánh giá thiết kế miễn phí và báo giá chi phí. Chúng tôi cung cấp các bảng mạch gốm đáng tin cậy, hoạt động hiệu quả ngay cả trong những điều kiện khắc nghiệt nhất.