PCB Gốm Nhiều Lớp 2024: Hướng dẫn Sản xuất Hoàn chỉnh – Vật liệu, Quy trình & Ứng dụng Công nghiệp

Trong thời đại quyền lực cao,Điện tử tần số cao từ trạm cơ sở 5G đến hệ thống truyền động xe điện (EV) và hệ thống radar hàng không vũ trụ PCB gốm đa lớp (MLC PCB) nổi bật như một công nghệ hỗ trợ quan trọngKhông giống như các PCB FR4 truyền thống, đấu tranh với sự phân tán nhiệt và tính toàn vẹn tín hiệu ở nhiệt độ cực cao, MLC PCB tận dụng các chất nền gốm (ví dụ: alumina,Nitrure nhôm) để cung cấp độ dẫn nhiệt vượt trộiCác thị trường PCB MLC toàn cầu phản ánh nhu cầu này: nó dự kiến sẽ tăng trưởng với CAGR 9,91% cho đến năm 2031, do áp dụng trong ô tô, hàng không vũ trụ,và ngành viễn thông.

Hướng dẫn này cung cấp một sự phân chia toàn diện về sản xuất PCB MLC từ lựa chọn vật liệu và sản xuất từng bước đến kiểm soát chất lượng và các ứng dụng thực tế.,những hiểu biết có thể thực hiện được, và những thực tiễn tốt nhất trong ngành, nó trang bị cho các kỹ sư, người mua và nhà thiết kế để hiểu và tận dụng công nghệ hiệu suất cao này.

Những điểm quan trọng
a. Tính ưu việt của vật liệu thúc đẩy hiệu suất: Các chất nền gốm alumin (20?? 30 W/mK) và nitrure nhôm (170?? 200 W/mK) vượt trội hơn FR4 (0,2?? 0,3 W/mK) về tính dẫn nhiệt,cho phép PCB MLC xử lý 350 °C + vs. FR4 ′s giới hạn 130 °C.
b. Độ chính xác sản xuất là không thể thương lượng: PCB MLC đòi hỏi 7 bước quan trọng: chuẩn bị nền, xếp chồng lớp, thông qua khoan, kim loại hóa, ngâm, hoàn thiện,và thử nghiệm mỗi yêu cầu độ khoan dung chặt chẽ (± 5μm cho sự sắp xếp lớp).
c. Kiểm soát chất lượng ngăn ngừa các lỗi tốn kém: Kiểm tra vật liệu sớm (kiểm tra SEM) và thử nghiệm trong quá trình (AOI, tính liên tục điện) làm giảm tỷ lệ khiếm khuyết xuống <0.1% cho các ứng dụng độ tin cậy cao (e(ví dụ, hàng không vũ trụ).
Các ứng dụng trải rộng các ngành công nghiệp có rủi ro cao: PCB MLC rất cần thiết cho radar ô tô (77 GHz), đèn LED công suất cao (100.000 giờ tuổi thọ) và truyền thông quân sự (chống chống thời tiết khắc nghiệt).
e. Tăng trưởng trong tương lai phụ thuộc vào đổi mới: Tiểu hóa (mảng dày đặc hơn) và sản xuất xanh (sín trộn năng lượng thấp) sẽ mở rộng việc sử dụng MLC PCB trong IoT và EV.

Hiểu PCB gốm đa lớp (MLC PCB)
MLC PCB là các bảng mạch tiên tiến được xây dựng bằng cách xếp chồng và kết nối nhiều lớp gốm, mỗi lớp được khắc với mạch dẫn (ví dụ: đồng, bạc).Cấu trúc độc đáo của chúng kết hợp hiệu suất nhiệt của gốm sứ với mật độ của các thiết kế đa lớp.

Điều gì làm cho PCB MLC độc đáo?
Không giống như PCB FR4 (vải thủy tinh + epoxy) hoặc PCB gốm một lớp, PCB MLC cung cấp:
a. Khả năng dẫn nhiệt cao hơn: Di chuyển nhiệt nhanh hơn 100 × 600 lần so với FR4, ngăn ngừa quá nóng của thành phần.
b. Phạm vi nhiệt độ rộng hơn: Hoạt động đáng tin cậy từ -200 °C (không gian hàng không) đến 350 °C (nồi công nghiệp).
c. Mất điện điện thấp hơn: Duy trì tính toàn vẹn tín hiệu ở tần số lên đến 100 GHz (cần thiết cho 5G mmWave).
d. Mật độ nhỏ gọn: Đặt chồng 4 ′′20 lớp gốm với microvias (50 ′′ 100 μm đường kính) để phù hợp với nhiều mạch trong không gian nhỏ.

Ưu điểm chính theo ngành
MLC PCB giải quyết các điểm khó khăn cụ thể của ngành mà PCB truyền thống không thể. Dưới đây là cách họ mang lại giá trị cho các lĩnh vực chính:

Chọn vật liệu cho PCB MLC: Alumina so với Aluminium Nitride
Hiệu suất của PCB MLC bắt đầu với sự lựa chọn vật liệu nền.Mỗi loại có đặc tính độc đáo phù hợp với các ứng dụng cụ thể.

So sánh các tài liệu cạnh nhau

Làm thế nào để chọn đúng vật liệu gốm
a. Chọn Alumina nếu: Bạn cần một giải pháp hiệu quả về chi phí cho các ứng dụng nhiệt trung bình (ví dụ: trình điều khiển LED, cảm biến ô tô năng lượng thấp) mà độ dẫn nhiệt là đủ.
b. Chọn Aluminium Nitride nếu: Bạn đang thiết kế cho các kịch bản công suất cao (ví dụ: hệ thống truyền động EV, radar hàng không vũ trụ) đòi hỏi độ phân tán nhiệt tối đa (170 ∼ 200 W / mK) và khả năng chống nhiệt độ.
c. Tránh FR4 nếu: Ứng dụng của bạn vượt quá 130 °C hoặc yêu cầu sự toàn vẹn tín hiệu trên 10 GHz.

Việc chuẩn bị vật liệu: Từ bột đến hình dạng trước
Trước khi sản xuất, các vật liệu gốm được chuẩn bị nghiêm ngặt để đảm bảo tính đồng nhất và chất lượng:
1Xử lý bột: Bột Alumina / AlN được nghiền đến kích thước hạt mịn (1 ‰ 5 μm) để đảm bảo ngưng tụ dày đặc sau đó.
2Thêm chất kết dính: Bột được trộn với chất kết dính hữu cơ (ví dụ: polyvinyl butyral) và dung môi để tạo ra một ′′lỗn lỏng′′ nhớt cho đúc băng.
3.Tape Casting: Bụi bùn được trải trên một bộ phim mang (ví dụ, PET) bằng một lưỡi dao bác sĩ, tạo ra các tấm gốm mỏng, đồng đều (50 ∼ 200 μm).
4Đánh đấm / cắt: Các tấm khô được cắt đến kích thước PCB mong muốn (ví dụ: 100x150mm) và đục bằng lỗ sắp xếp để xếp chính xác.

Bước quan trọng: Độ tinh khiết của bột được kiểm tra bằng tia X quang (XRF) để đảm bảo không có chất gây ô nhiễm, ngay cả sắt 0,5% cũng có thể làm giảm độ dẫn nhiệt 10%.

Quy trình sản xuất PCB MLC từng bước
Sản xuất PCB MLC là một trình tự được điều khiển chính xác gồm 7 bước, mỗi bước đòi hỏi thiết bị chuyên môn và kiểm soát quy trình nghiêm ngặt.không hoàn thành sintering) có thể làm cho bảng vô dụng.

1- Chuẩn bị chất nền: Tạo các tấm gốm đồng nhất
Cơ sở của PCB MLC là các tấm gốm chất lượng cao. Sau khi đúc băng (được chi tiết ở trên), các tấm trải qua:
a. Kiểm tra độ dày: Máy đo micrometer laser kiểm tra độ dày của tấm (được dung sai ± 2μm) để đảm bảo xếp chồng các lớp một cách nhất quán.
b. Kiểm tra mật độ: Các mẫu ngẫu nhiên được nướng để loại bỏ chất liên kết và cân để xác minh nồng độ bột.
c. Làm sạch bề mặt: Các tấm được lau bằng isopropyl alcohol để loại bỏ bụi, có thể gây ra lỗ hổng không khí trong các bước sau.

2. Lớp xếp chồng & Lamination: Bonding lớp gốm
Việc xếp chồng các tấm gốm với các mẫu dẫn để tạo thành cấu trúc đa lớp.

Các bước quan trọng trong việc xếp chồng:
a. In màn hình: Mật bột dẫn điện (thùng đồng, bạc hoặc vàng) được in màn hình trên các tấm gốm để tạo ra các dấu vết mạch, miếng đệm và thông qua miếng đệm.000 cP) để đảm bảo, các tuyến thống nhất.
b. Định hướng: Các tấm được xếp chồng lên nhau bằng cách sử dụng các hệ thống sắp xếp quang học (chính xác ± 5μm) phù hợp với các lỗ sắp xếp đã đâm trước đó. Các lớp được sắp xếp để xen kẽ giữa các mẫu gốm và dẫn điện.
c. Lamination: Bộ xếp chồng được ép trong máy laminator chân không ở nhiệt độ 70-100 ° C và áp suất 10-20 MPa. chân không loại bỏ khoảng trống không khí, trong khi nhiệt làm mềm chất kết dính vào các lớp liên kết.

Các yếu tố mỏng quan trọng:

3Thông qua khoan & lỗ kim loại hóa: kết nối các lớp
Vias là các lỗ nhỏ kết nối mạch qua các lớp.
a.Là laser khoan: tia laser tia cực tím (355nm bước sóng) khoan microvias (50100μm đường kính) với độ chính xác ± 5μm. Phương pháp này lý tưởng cho các thiết kế mật độ cao (ví dụ: mô-đun 5G).
b. Đấm: Đấm cơ khí tạo ra các đường ống lớn hơn (200 ¢ 500μm) cho các ứng dụng chi phí thấp (ví dụ: trình điều khiển LED).
Sau khi khoan:
c. Bỏ bẩn: Một phương pháp xử lý plasma loại bỏ chất kết dính còn lại từ các bức tường để đảm bảo gắn kết kim loại.
d. Metallisation: Vias được lấp đầy với bột dẫn điện (bạc hoặc đồng) hoặc bọc bằng đồng không điện (0,5 ‰ 1 μm độ dày) để tạo ra các đường dẫn điện giữa các lớp.

4. Metallization & Circuit Patterning: Tạo các con đường dẫn điện
Các lớp dẫn điện được thêm vào để tạo ra các mạch chức năng.
a. in màn hình: phổ biến nhất cho PCB dẫn điện MLC được in trên các tấm gốm để tạo ra các dấu vết (nhiều rộng 50-100μm) và miếng đệm.
b. Sputtering: Đối với các ứng dụng tần số cao (ví dụ, radar), một lớp đồng mỏng (1 ‰ 5 μm) được phun lên các tấm gốm bằng cách sử dụng hệ thống chân không.Sputtering cung cấp độ dính và tính toàn vẹn tín hiệu tốt hơn so với in màn hình nhưng đắt hơn.

Kiểm tra chất lượng: Một hệ thống kiểm tra quang học tự động (AOI) xác minh chiều rộng dấu vết, sự sắp xếp của miếng đệm, và độ phủ đệm. Các khiếm khuyết như dấu vết bị thiếu được đánh dấu trước khi ngâm.

5. Sintering: Làm dày đặc cấu trúc gốm
Sintering là bước "sản xuất hoặc phá vỡ" chuyển đổi bộ tích lũy chứa chất hữu cơ thành PCB gọn gàng, gốm. Quá trình này bao gồm làm nóng bộ chồng lên nhiệt độ cao để:
a. Loại bỏ chất kết dính hữu cơ (giai đoạn cháy: 200-400 °C).
b. Phối hợp các hạt gốm thành một cấu trúc rắn, dày đặc (giai đoạn ngưng tụ: 1600-1800 °C cho nhôm; 1700-1900 °C cho AlN).
c. Liên kết các lớp dẫn điện với nền gốm.

Các kết quả chính của Sintering:

Kiểm soát quan trọng: lò ngưng tụ sử dụng một đường dẫn nhiệt độ được lập trình (5 ° C / phút) để tránh nứt áp nóng nhanh gây co lại không đồng đều.

6. Xét mặt: Tăng độ tin cậy & Soldability
Sau khi ngâm, PCB MLC được xử lý bề mặt để chuẩn bị cho việc lắp ráp thành phần:
a. Planarization: Các bề mặt trên/dưới được nghiền bằng chất mài kim cương để đạt được độ phẳng ± 5μm ◄ quan trọng cho việc đặt thành phần gắn trên bề mặt (SMC).
b. Bề mặt bọc: Một lớp mỏng của niken (510μm) và vàng (0,10,5μm) hoặc ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) được áp dụng cho các miếng đệm. Điều này cải thiện khả năng hàn và ngăn ngừa oxy hóa.
c. đánh dấu bằng laser: Một laser sợi khắc số bộ phận và mã lô trên PCB để có thể truy xuất.

So sánh kết thúc bề mặt cho PCB MLC:

7. Kết hợp cuối cùng & Kiểm thử: Xác thực hiệu suất
Bước cuối cùng liên quan đến việc lắp đặt các thành phần và xác minh chức năng của PCB:
1Đặt thành phần: SMC (ví dụ: kháng cự, tụ điện, IC) được đặt bằng cách sử dụng máy chọn và đặt (chính xác ± 10μm).
2. Lò tái quyến: PCB được nung nóng trong lò quyến (nhiệt độ đỉnh: 260 °C cho hàn không chì) để làm tan chảy kem hàn và các thành phần liên kết.
3Rửa: Làm sạch bằng nước loại bỏ dư lượng luồng, có thể gây ăn mòn.
4Kiểm tra chức năng: PCB được kiểm tra tính liên tục điện, trở kháng (± 1Ω cho thiết kế 50Ω) và tính toàn vẹn tín hiệu (sử dụng VNA cho các bảng tần số cao).
5Kiểm tra môi trường: Đối với các ứng dụng đáng tin cậy cao, PCB phải trải qua chu kỳ nhiệt (-40 °C đến + 150 °C, 1000 chu kỳ) và thử nghiệm rung động (10 ‰ 2000 Hz, gia tốc 10G) để đảm bảo độ bền.

Kiểm soát chất lượng: Ngăn ngừa các khiếm khuyết trong PCB MLC
PCB MLC được sử dụng trong các ứng dụng quan trọng về an toàn (ví dụ: EV BMS, radar hàng không vũ trụ), vì vậy kiểm soát chất lượng (QC) được tích hợp trong mọi bước sản xuất.

1- Vật liệu thô QC: Khám phá các vấn đề sớm
a. Độ tinh khiết của bột: Phân tích XRF đảm bảo các tạp chất là <0,1% ̇ ngay cả lượng sắt nhỏ cũng có thể làm giảm độ dẫn nhiệt.
b. Sự nhất quán của chất kết nối: quang phổ hồng ngoại biến Fourier (FTIR) xác minh thành phần chất kết nối để ngăn ngừa các vấn đề co lại sintering.
c.Cơ thể đồng nhất của tấm: Một bộ định hình laser kiểm tra độ dày tấm gốm (± 2μm) và độ thô bề mặt (Ra < 0,5μm) để tránh các khoảng trống mài.

2. QC trong quá trình: Ngăn chặn các khiếm khuyết giữa sản xuất
a.Điều chỉnh lớp: Hệ thống sắp xếp quang học (chính xác ± 5μm) kiểm tra các lớp xếp chồng lên nhau.
b. Chất lượng thông qua: Kiểm tra tia X (20μm độ phân giải) xác minh thông qua lấp đầy Ống trống > 10% khối lượng thông qua được từ chối.
c. Mật độ ngưng tụ: Nguyên tắc Archimedes đo mật độ gốm < 95% giá trị lý thuyết cho thấy ngưng tụ không hoàn chỉnh.

3. QC cuối cùng: Xác thực hiệu suất từ đầu đến cuối
a. Kiểm tra điện: Các máy thử nghiệm tàu thăm dò bay kiểm tra mở / ngắn (100% phủ sóng) và ổn định trở kháng (± 1Ω).
b. Kiểm tra nhiệt: Máy phân tích đèn flash bằng laser đo độ dẫn nhiệt, các giá trị < 90% của thông số kỹ thuật cho thấy các khiếm khuyết.
c. Kiểm tra cơ học: Các thử nghiệm độ bền uốn cong (theo ASTM C1161) đảm bảo PCB có thể chịu được việc xử lý.
d. Kiểm tra độ tin cậy: Kiểm tra tuổi thọ tăng tốc (ALT) mô phỏng 10 năm sử dụng (ví dụ: 1000 chu kỳ nhiệt) để dự đoán hiệu suất lâu dài.

Điểm dữ liệu: QC nghiêm ngặt làm giảm tỷ lệ khiếm khuyết PCB MLC xuống <0,1% cho các ứng dụng hàng không vũ trụ

Ứng dụng PCB MLC & Xu hướng trong tương lai
PCB MLC là không thể thiếu trong các ngành công nghiệp mà trong đó hiệu suất, độ tin cậy và khả năng chống nhiệt độ là không thể thương lượng.

Các ứng dụng chính theo ngành công nghiệp

Xu hướng trong tương lai định hình PCB MLC
1. Miniaturization & mật độ cao hơn:Nhu cầu về các thiết bị IoT nhỏ hơn và các mô-đun 5G đang thúc đẩy PCB MLC với hơn 20 lớp và microvias <50μm Ứng dụng khoan laser tiên tiến và tấm gốm mỏng (50μm).
2Sản xuất xanh: Chất xăng năng lượng thấp (sử dụng lò vi sóng thay vì lò truyền thống) giảm 40% lượng năng lượng sử dụng.
3Các vật liệu gốm mới: gốm silicon carbide (SiC) và boron nitride (BN) đang nổi lênSiC cung cấp độ dẫn nhiệt 300 W / mK (tốt hơn AlN) cho các EV cực cao.
4Các thành phần nhúng: Các thành phần thụ động (kháng vật, tụ) được nhúng bên trong các lớp gốm để tiết kiệm không gian. Lý tưởng cho thiết bị đeo và thiết bị y tế thu nhỏ.

Câu hỏi thường gặp: Câu hỏi phổ biến về PCB MLC
1Tại sao PCB MLC đắt hơn PCB FR4?
MLC PCB có giá cao hơn 5 ¢ 10 lần so với FR4 do:
a. Các vật liệu đặc biệt (alumina / AlN chi phí cao gấp 10 lần so với FR4).
b.Sản xuất chính xác (đào bằng laser, sintering chân không).
c.QC nghiêm ngặt (X quang, kiểm tra nhiệt).
Tuy nhiên, tuổi thọ dài hơn (10x so với FR4) và chi phí bảo trì thấp hơn làm cho chúng hiệu quả về chi phí cho các ứng dụng đáng tin cậy cao.

2. PCB MLC có thể được tùy chỉnh cho các ứng dụng cụ thể không?
Vâng Ứng dụng tùy chỉnh bao gồm:
a. Chọn vật liệu (alumina cho chi phí, AlN cho nhiệt cao).
b. Số lớp (4 ∼20 lớp).
c. Kích thước đường (50 500μm).
d. Xét bề mặt (ENIG cho hàng không vũ trụ, bạc ngâm cho ô tô).
e. Việc nhúng thành phần (để thu nhỏ).

3Thời gian dẫn thông thường cho PCB MLC là bao nhiêu?
Thời gian thực hiện thay đổi tùy thuộc vào sự phức tạp:
a. Các nguyên mẫu (1 ¢ 10 đơn vị): 2 ¢ 4 tuần (bao gồm sintering và thử nghiệm).
b. Các lô nhỏ (100-500 đơn vị): 4-6 tuần.
c. Các lô lớn (1000 đơn vị): 6~8 tuần.
Thời gian dẫn đầu dài hơn FR4 (1 ′′ 2 tuần) do quá trình ngâm, mất 2 ′′ 3 ngày.

Kết luận: PCB MLC Mạng sống của điện tử thế hệ tiếp theo
PCB gốm nhiều lớp không chỉ là một “khả năng cao” thay thế cho PCB truyền thống “các PCB là một điều cần thiết cho các ứng dụng điện tử đòi hỏi khắt khe nhất.Sự kết hợp độc đáo của sự dẫn nhiệt của chúng, khả năng chống nhiệt độ và tính toàn vẹn tín hiệu cho phép đổi mới trong EV, 5G, hàng không vũ trụ và các thiết bị y tế mà trước đây là không thể.

Quá trình sản xuất PCB MLC từ việc chuẩn bị vật liệu và xếp chồng lớp lên sintering và QC đòi hỏi độ chính xác, thiết bị chuyên môn và tập trung vào chất lượng.từ kiểm tra độ tinh khiết của bột đến thử nghiệm chu kỳ nhiệt, được thiết kế để đảm bảo độ tin cậy trong môi trường an toàn quan trọng.

Khi ngành công nghiệp điện tử phát triển về phía công suất cao hơn, tần số cao hơn và các yếu tố hình dạng nhỏ hơn, PCB MLC sẽ đóng một vai trò lớn hơn nữa.và các vật liệu gốm mới sẽ mở rộng việc sử dụng của họ vào IoT, thiết bị đeo và xe điện cực cao.

Đối với các kỹ sư và người mua, sự hiểu biết về sản xuất PCB MLC là chìa khóa để chọn công nghệ phù hợp cho các dự án của họ.bạn có thể tận dụng MLC PCB để xây dựng điện tử an toàn hơnTương lai của điện tử hiệu suất cao là gốm và PCB MLC đang dẫn đầu.