Sản xuất PCB Gốm Nhiều Lớp: Hướng dẫn Toàn diện về Vật liệu, Quy trình và Ứng dụng

Bảng mạch in gốm đa lớp (PCB) đã nổi lên như một công nghệ quan trọng cho điện tử nhiệt độ cao, tần số cao và độ tin cậy cao.dựa trên chất nền hữu cơ, các PCB gốm sử dụng vật liệu vô cơ như alumina (Al2O3) hoặc nitrure nhôm (AlN) để cung cấp độ dẫn nhiệt vượt trội, khả năng chống hóa học và ổn định cơ học.Các tính chất này làm cho chúng không thể thiếu trong các ứng dụng từ cảm biến không gian đến điện tử điện, khi hiệu suất trong điều kiện cực đoan là không thể thương lượng.

Hướng dẫn này cung cấp một cái nhìn tổng quan chi tiết về sản xuất PCB gốm đa lớp, bao gồm lựa chọn vật liệu, các bước chế tạo, những lợi thế chính và các ứng dụng công nghiệp.Cho dù bạn là một kỹ sư thiết kế cho môi trường khắc nghiệt hoặc một nhà sản xuất quy mô sản xuất, hiểu các sắc thái của sản xuất PCB gốm là điều cần thiết để mở ra tiềm năng đầy đủ của chúng.

Tại sao phải sử dụng PCB gốm đa lớp?
PCB gốm giải quyết những hạn chế quan trọng của PCB có cơ sở hữu cơ, đặc biệt là trong các kịch bản đòi hỏi:
1. Quản lý nhiệt: Các nền gốm dẫn nhiệt tốt hơn FR-4 gấp 10×100 lần (ví dụ, AlN có 180 ⋅ 220 W/m·K so với FR-4 ⋅ 0.2 ⋅ 0.4 W/m·K),ngăn ngừa quá nóng trong các thiết bị công suất cao như module LED và bộ khuếch đại công suất.
2Độ ổn định ở nhiệt độ cao: Vật liệu gốm giữ lại các tính chất cơ học và điện ở nhiệt độ lên đến 1.000 °C, không giống như FR-4, phân hủy trên 130 °C.
3Hiệu suất tần số cao: Mất điện điện thấp (Df < 0,001 ở 10GHz cho Al2O3) làm cho chúng lý tưởng cho 5G, radar và truyền thông vệ tinh.
4Chống hóa học: Vật gốm trơ đối với dung môi, dầu và khí ăn mòn, rất quan trọng cho các ứng dụng dưới nắp xe công nghiệp và ô tô.

Đối với các thiết kế đa lớp, những lợi ích này hợp nhất: xếp chồng các lớp gốm cho phép các mạch dày đặc, hiệu suất cao mà không phải hy sinh tính toàn vẹn nhiệt hoặc cơ học.

Vật liệu chính cho PCB gốm đa lớp
Việc lựa chọn nền gốm ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, chi phí và độ phức tạp sản xuất.

a.Alumina là con ngựa, cân bằng chi phí và hiệu suất cho hầu hết các ứng dụng công nghiệp.
b.AlN xuất sắc trong các thiết kế sử dụng nhiều nhiệt (ví dụ, các mô-đun IGBT) nhưng đòi hỏi xử lý chuyên môn.
c. Zirconia được dành riêng cho môi trường khắc nghiệt, nơi độ dẻo dai cơ học (ví dụ: chống rung) được ưu tiên hơn khả năng dẫn nhiệt.

Quá trình sản xuất PCB gốm đa lớp
Sản xuất PCB gốm đa lớp liên quan đến các bước chính xác khác biệt đáng kể so với chế tạo PCB hữu cơ, do bản chất dễ vỡ, nhiệt độ cao của vật liệu gốm.
1- Chuẩn bị chất nền
a. Làm mài bột gốm: Bột gốm thô (ví dụ, Al2O3) được trộn với chất kết nối (polyvinyl butyral), dung môi và chất làm mềm để tạo thành một chất bùn.Làm mài làm giảm kích thước hạt xuống còn 1 5μm cho mật độ đồng đều.
b.Dùng băng đúc: Mất chất thải được trải trên một tấm phim mang (PET) bằng một lưỡi dao, tạo thành các tấm xanh mỏng (0.1 ∼ 0.5 mm).có thể xử lý.

2. Thiết kế lớp
a. Khoan bằng laser: Microvias (50 ‰ 200 μm đường kính) được khoan vào băng xanh để kết nối các lớp.Khoan bằng laser đảm bảo độ chính xác mà không bị nứt vật liệu dễ vỡ.
b.Metallization: Các loại bột dẫn điện (thường là tungsten, molybdenum hoặc đồng) được in trên băng xanh để tạo ra dấu vết, miếng đệm và thông qua lấp.Tungsten và molybden là tương thích với sintering nhiệt độ cao· đồng đòi hỏi các quy trình nhiệt độ thấp hơn (ví dụ, đồng đốt ở 900 °C).

3. Lớp xếp chồng và lớp
a.Điều chỉnh: Các trang giấy xanh được sắp xếp bằng cách sử dụng các dấu hiệu ủy thác để đảm bảo đăng ký qua và theo dõi qua các lớp (sự khoan dung ± 5μm).
b. Lamination: Các lớp chồng lên nhau được ép ở nhiệt độ 50-100 °C và 10-30 MPa để liên kết chúng thành một khối duy nhất, loại bỏ các khoảng trống không khí có thể gây ra khiếm khuyết trong quá trình ngâm.

4. Sintering
a. Burnout binder: Laminate chồng lên nhau được nung nóng đến 300 ~ 600 °C trong không khí hoặc nitơ để loại bỏ chất kết hợp hữu cơ, ngăn chặn bong bóng khí trong quá trình ngâm.
b. Sintering: Laminate được đun sục ở nhiệt độ cao (1,500 ~ 1,700 ° C cho Al2O3; 1,600 ~ 1,800 ° C cho AlN) để làm dày đặc các lớp gốm và an toàn.Vật liệu co lại 15~20% một cân nhắc quan trọng cho độ chính xác thiết kế.
c. Làm mát: Làm mát được kiểm soát (≤ 5 °C / phút) giảm thiểu căng thẳng nhiệt và nứt, đặc biệt là đối với PCB lớn hoặc dày.

5. Sau khi chế biến
a.Bảo vật kim loại bề mặt: Vật gốm xát xát được kim loại hóa bằng đồng, vàng hoặc niken-vàng (ENIG) để cải thiện khả năng hàn. Các lớp tungsten / molybden thường được phủ niken để ngăn ngừa oxy hóa..
b. Dicing: Bảng sintered được cắt thành các PCB riêng lẻ bằng cách sử dụng cưa kim cương hoặc laser, tránh căng thẳng cơ học có thể làm vỡ gốm.
c. Kiểm tra: Kiểm tra điện (tiếp tục, kháng cách nhiệt) và kiểm tra nhiệt (hình ảnh hồng ngoại) xác minh hiệu suất.

Những thách thức trong sản xuất PCB gốm đa lớp
Mặc dù có những lợi thế của chúng, PCB gốm có những trở ngại sản xuất độc đáo:
a. Kiểm soát thu hẹp: 15~20% thu hẹp sintering đòi hỏi phải có quy mô thiết kế chính xác trước khi sinter (ví dụ, một PCB cuối cùng 100mm đòi hỏi một tấm xanh 120mm).
b.Chi phí: Vật liệu thô (đặc biệt là AlN) và chế biến nhiệt độ cao làm cho PCB gốm đắt hơn 5 × 10 lần so với FR-4.
c.Sự mong manh: gốm có xu hướng nứt trong khi xử lý, đòi hỏi công cụ chuyên biệt và chế biến nhẹ nhàng.
d. Sự phức tạp của thiết kế: Các dấu vết nhịp độ mỏng (< 50μm) rất khó in trên băng xanh, hạn chế mật độ so với PCB hữu cơ HDI.

Ưu điểm của PCB gốm đa lớp
Các thách thức được bù đắp bởi lợi ích hiệu suất làm cho PCB gốm không thể thay thế trong các ứng dụng chính:
1. Quản lý nhiệt vượt trội: PCB dựa trên AlN làm giảm nhiệt độ giao điểm LED 30~40 °C so với FR-4, kéo dài tuổi thọ từ 50.000 đến 100.000 + giờ.
2Độ tin cậy nhiệt độ cao: duy trì chức năng trong khoang động cơ ô tô (150 °C +) và lò công nghiệp (500 °C +).
3. Mất tín hiệu thấp: Mất điện áp <0,001 ở 10GHz cho phép hệ thống 5G mmWave (2860GHz) và radar với sự suy giảm tín hiệu tối thiểu.
4Chống hóa học và ẩm: Chống tiếp xúc với dầu, nhiên liệu và độ ẩm trong môi trường biển hoặc công nghiệp.
5Sự ổn định kích thước: Tỷ lệ mở rộng nhiệt (CTE) gần với silicon (46 ppm / °C) làm giảm căng thẳng trên các khớp hàn trong các gói bán dẫn.

Ứng dụng của PCB gốm đa lớp
PCB gốm xuất sắc trong môi trường mà PCB hữu cơ thất bại:
a. Hàng không vũ trụ và quốc phòng: Hệ thống hướng dẫn tên lửa, mô-đun radar và cảm biến động cơ ( dung nạp nhiệt độ và rung động cực cao).
b. Điện tử điện: Các mô-đun IGBT, biến tần và động cơ truyền động (tản nhiệt hiệu quả cho các hệ thống 100 kW +).
c. Đèn LED: Các mảng LED công suất cao (đèn đường phố, ánh sáng công nghiệp) trong đó quản lý nhiệt ngăn ngừa suy giảm ánh sáng.
d.Xe ô tô: Các cảm biến ADAS, các mô-đun điện của xe điện (EV) và các màn hình hệ thống xả (chống nhiệt và hóa chất dưới nắp xe).
e. Truyền thông: Bộ khuếch đại trạm cơ sở 5G và máy thu vệ tinh (mất điện thấp cho tín hiệu tần số cao).

So sánh PCB gốm đa lớp với các giải pháp thay thế

Xu hướng trong tương lai trong sản xuất PCB gốm đa lớp
Các đổi mới đang giải quyết các rào cản về chi phí và độ phức tạp:
a.Low-Temperature Co-Firing (LTCC): Sintering ở 800 ~ 900 °C cho phép kim loại hóa đồng, giảm chi phí và cải thiện tính dẫn điện.
b.Sản xuất phụ gia: in 3D các lớp gốm cho phép hình học phức tạp (ví dụ: kênh làm mát bên trong) không thể với đúc băng.
c. Thiết kế lai: Kết hợp các lớp gốm và FR-4 cân bằng hiệu suất và chi phí trong các hệ thống tín hiệu hỗn hợp.

Câu hỏi thường gặp
Q: Số lớp tối đa cho PCB gốm đa lớp là bao nhiêu?
A: Thông thường là 4-10 lớp, bị hạn chế bởi các thách thức về sự sắp xếp trong quá trình xếp chồng.

Q: PCB gốm có thể sử dụng các thành phần gắn trên bề mặt không?
A: Có, nhưng bột hàn phải được thiết kế cho các thành phần nhiệt độ cao (ví dụ, hàn SAC305, chảy ở 217 °C, hoạt động với PCB gốm).

Hỏi: PCB gốm xử lý rung động như thế nào?
A: Mặc dù dễ vỡ, độ bền cơ học cao của gốm sứ (Al2O3 có độ bền uốn cong 300-400 MPa) cho phép sử dụng trong môi trường dễ rung động khi được gắn đúng cách với các vật cố định hấp thụ va chạm.

Q: PCB gốm có tuân thủ RoHS không?
A: Vâng, nền gốm và vật liệu kim loại hóa (tungsten, đồng, niken) tuân thủ RoHS, không có chất nguy hiểm.

Hỏi: Thời gian dẫn đầu cho PCB gốm đa lớp là bao nhiêu?
A: 4-6 tuần cho các nguyên mẫu; 8-12 tuần cho sản xuất khối lượng lớn, do các bước ngâm và sau chế biến.

Kết luận
PCB gốm nhiều lớp là một công nghệ chuyên biệt nhưng thiết yếu cho các thiết bị điện tử hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt.và khả năng kháng hóa chất làm cho chúng không thể thay thế trong hàng không vũ trụ, điện tử công suất và ứng dụng 5G mặc dù chi phí sản xuất cao hơn.
Khi các vật liệu và quy trình tiến bộ (ví dụ: LTCC, in 3D), PCB gốm sẽ trở nên dễ tiếp cận hơn, mở rộng việc sử dụng của chúng ra ngoài thị trường thích hợp.hiểu các yêu cầu sản xuất độc đáo của họ là chìa khóa để tận dụng đầy đủ tiềm năng của họ trong thế hệ điện tử tiếp theo.