Tấm sợi thủy tinh FR{4}}4 truyền thống có xu hướng phát triển hình dạng "vòm" sau khi hàn nóng chảy lại. Đây là kết quả tất yếu của sự mất cân bằng giữa ứng suất nhiệt và tính chất vật lý của vật liệu. PCB truyền thống có các khuyết tật khi hàn linh kiện và trục trặc thiết bị do cong vênh. Một loại PCB sử dụng gốm làm chất nền với độ ổn định vật lý gần như{5}}hoàn hảo đang trở thành lựa chọn cốt lõi cho các thiết bị điện tử có công suất cao hoặc độ tin cậy cao.
Tại sao chất nền gốm không bị cong vênh?
Nguyên nhân cốt lõi của hiện tượng cong vênh PCB nằm ở sự không phù hợp giữa hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu và sự giải phóng ứng suất bên trong. Chất nền FR-4 thông thường được hình thành bằng cách liên kết vải sợi thủy tinh và nhựa epoxy. Nhựa mềm khi đun nóng và co lại khi nguội. Lá đồng không đối xứng ở cả hai mặt càng làm trầm trọng thêm sự biến dạng.
Chất nền gốm sở hữu những đặc điểm hoàn toàn khác nhau. Họ sử dụng các tấm gốm màu xanh lá cây thiêu kết ở nhiệt độ cao-làm nền, có mô đun đàn hồi rất cao và hệ số giãn nở nhiệt cực thấp. Trong quá trình sản xuất, lá đồng được gắn vào bề mặt gốm thông qua-công nghệ ép nóng ở nhiệt độ cao hoặc mạ đồng trực tiếp, đạt được liên kết giữa các phân tử thay vì liên kết dính đơn giản. Điều này cho phép cấu trúc composite duy trì sự ổn định về kích thước ngay cả trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt.
Gốm alumina: Vua chi phí{0}}Hiệu quả
Alumina hiện là vật liệu nền gốm được sử dụng rộng rãi nhất, chứa từ 75% đến 99,5% alumina. Độ tinh khiết cao 99,5% mang lại bề mặt nhẵn và dày đặc với độ thất thoát điện môi cực thấp, khiến nó phù hợp với các mạch-tần số cao.
Độ dẫn nhiệt của alumina xấp xỉ 24 đến 28 W/(m·K), cao hơn đáng kể so với 0,3 W/(m·K) của FR-4. Tuy nhiên, nó vẫn còn thiếu sót trong các ứng dụng năng lượng cực cao. Nó tự hào có nguồn nguyên liệu thô dồi dào, độ bền cơ học cao và độ ổn định hóa học tuyệt vời, khiến nó trở thành ví dụ điển hình về sản phẩm cân bằng giữa hiệu suất và chi phí, do đó giữ vị trí thống trị trong lĩnh vực mô-đun điện và vi điện tử.
Khả năng dẫn nhiệt cao của nhôm nitrit rất phù hợp-với các tấm silicon. Sự xuất hiện của gốm nhôm nitrit đã giải quyết được vấn đề dẫn nhiệt không đủ trong alumina, đạt được độ dẫn nhiệt vượt quá 170 W/(m·K), gấp 7 lần so với alumina và thậm chí vượt qua cả nhôm kim loại.
Quan trọng hơn, hệ số giãn nở nhiệt của nhôm nitride cực kỳ gần với hệ số giãn nở nhiệt của tấm silicon bán dẫn. Khi các chip công suất cao-được gắn trực tiếp trên đế, hệ số giãn nở tương tự sẽ tránh được ứng suất cắt do chu kỳ nhiệt gây ra một cách hiệu quả, do đó ngăn chặn hiện tượng nứt chip hoặc mỏi mối hàn. Quy trình sản xuất của nó có yêu cầu cực kỳ cao về kiểm soát hàm lượng oxy; tạp chất oxy càng thấp thì độ dẫn nhiệt càng mạnh.
Giới hạn độ dẫn nhiệt và độc tính cao của Beryllium Oxide
Gốm oxit berili thể hiện tính dẫn nhiệt đặc biệt, thậm chí vượt qua cả nhôm nitrit, đạt trên 250 W/(m·K) ở nhiệt độ phòng. Nó từng là vật liệu được ưa chuộng trong các lĩnh vực có yêu cầu tản nhiệt cực kỳ nghiêm ngặt.
Tuy nhiên, bột oxit berili rất độc. Nếu hít phải bụi phát sinh trong quá trình sản xuất, chế biến có thể gây ra các bệnh về phổi nghiêm trọng. Tương tự, nếu hít phải bụi sinh ra trong quá trình xử lý cũng có thể gây ra các bệnh về phổi nghiêm trọng. Lỗ hổng chết người này hạn chế nghiêm trọng sự phát triển của nó. Hiện tại, nó chỉ được sử dụng trong rất ít lĩnh vực quân sự chuyên ngành có biện pháp bảo vệ toàn diện, cũng như trong rất ít lĩnh vực hàng không vũ trụ chuyên ngành có biện pháp bảo vệ toàn diện. Thị trường dân sự phần lớn đã được thay thế bằng nhôm nitrit.
Ưu điểm cốt lõi của PCB gốm
Ưu điểm rõ ràng nhất của chất nền gốm là khả năng mang dòng{0}}mạnh. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy khi dòng điện 100A liên tục chạy qua đế đồng dày 0,3mm dày 1mm thì nhiệt độ chỉ tăng khoảng 17 độ. Nếu độ dày đồng tăng lên 2 mm, mức tăng nhiệt độ có thể được kiểm soát trong vòng 5 độ.
Ngoài ra, nó có đặc tính cách nhiệt tuyệt vời có thể chịu được điện áp cao. Tài sản này đảm bảo sự an toàn của thiết bị và nhân viên. Vì không cần chất kết dính hữu cơ nên hiệu suất của nó cực kỳ ổn định trong môi trường-nhiệt độ cao và-độ ẩm cao. Hơn nữa, độ bám dính của lá đồng rất mạnh và sẽ không bị bong ra do thay đổi nhiệt độ mạnh, khiến độ tin cậy của nó vượt trội hơn nhiều so với PCB thông thường.
Tùy chọn sản xuất cho PCB gốm
Mặc dù chất nền bằng gốm có hiệu suất vượt trội nhưng tính chất dễ vỡ của chúng hạn chế việc sử dụng chúng trong sản xuất bảng có diện tích lớn{0}}và giá của chúng cao hơn nhiều so với FR-4. Chất nền nhôm nitride cạnh 100mm có thể đắt hơn hàng chục lần so với FR-4 có cùng kích thước.
Do đó, nó chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng-cao cấp như đèn LED công suất-cao, hệ thống đánh lửa ô tô, nguồn điện chuyển mạch tần số cao-, hàng không vũ trụ và thiết bị điện tử quân sự. Việc chọn chất nền gốm có nghĩa là đưa ra lựa chọn về độ ổn định và độ tin cậy cao nhất. Trong hoạt động R&D hoặc sản xuất hàng loạt nhỏ-, việc chọn một nhà sản xuất chuyên nghiệp và đáng tin cậy là vô cùng quan trọng. JEP PCB đã tham gia sâu vào ngành này trong nhiều năm, sở hữu khả năng xử lý bề mặt gốm sứ chuyên nghiệp. Từ tạo nguyên mẫu đến sản xuất hàng loạt, nó có thể cung cấp phản hồi nhanh và hỗ trợ quy trình ổn định, đảm bảo có thể đạt được thiết kế hiệu suất cao-một cách chính xác.
Vì vậy, trong thiết kế sản phẩm của mình, bạn sẽ ưu tiên kiểm soát chi phí hay bạn sẽ chọn chất nền gốm vì khả năng tăng nhiệt độ 5 độ cũng như độ tin cậy và ổn định vô song của nó? Vui lòng chia sẻ quan điểm của bạn trong phần nhận xét, thích và chia sẻ bài viết này để nhiều kỹ sư hơn có thể thấy được-sự phổ biến khoa học chuyên sâu này.