การผลิต PCB เซรามิกหลายชั้น: คู่มือฉบับสมบูรณ์เกี่ยวกับวัสดุ กระบวนการ และการใช้งาน

แผงวงจรพิมพ์เซรามิกหลายชั้น (PCBs) ได้กลายเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีอุณหภูมิสูงความถี่สูงและความน่าเชื่อถือสูง ซึ่งแตกต่างจาก FR-4 PCB แบบดั้งเดิมซึ่งขึ้นอยู่กับพื้นผิวอินทรีย์ PCB เซรามิกใช้วัสดุอนินทรีย์เช่นอลูมินา (Al₂o₃) หรืออลูมิเนียมไนไตรด์ (ALN) เพื่อส่งมอบการนำความร้อนที่เหนือกว่าความต้านทานทางเคมีและความเสถียรเชิงกล คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้พวกเขาขาดไม่ได้ในการใช้งานตั้งแต่เซ็นเซอร์การบินและอวกาศไปจนถึงพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งประสิทธิภาพภายใต้เงื่อนไขที่รุนแรงไม่สามารถต่อรองได้

คู่มือนี้ให้ภาพรวมโดยละเอียดของการผลิต PCB เซรามิกหลายชั้นครอบคลุมการเลือกวัสดุขั้นตอนการผลิตข้อดีที่สำคัญและแอปพลิเคชันอุตสาหกรรม ไม่ว่าคุณจะเป็นวิศวกรที่ออกแบบสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงหรือการผลิตการปรับขนาดของผู้ผลิตการทำความเข้าใจความแตกต่างของการผลิต PCB เซรามิกเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการปลดล็อคศักยภาพอย่างเต็มที่

ทำไม PCBs เซรามิกหลายชั้น?
PCB เซรามิกระบุข้อ จำกัด ที่สำคัญของ PCBs ที่ใช้อินทรีย์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์ที่เรียกร้อง:
1. การจัดการ Thermal: สารตั้งต้นเซรามิกดำเนินการความร้อน 10–100x ดีกว่า FR-4 (เช่น Aln มี 180–220 w/m · k เทียบกับ 0.2–0.4 w/m · k) ป้องกันความร้อนสูงเกินไปในอุปกรณ์พลังสูงเช่นโมดูล LED และแอมพลิฟายเออร์พลังงาน
2. ความเสถียรของอุณหภูมิสูง: วัสดุเซรามิกยังคงรักษาคุณสมบัติเชิงกลและไฟฟ้าที่อุณหภูมิสูงถึง 1,000 ° C ซึ่งแตกต่างจาก FR-4 ซึ่งลดลงสูงกว่า 130 ° C
3. ประสิทธิภาพความถี่สูง: การสูญเสียอิเล็กทริกต่ำ (DF <0.001 ที่ 10GHz สำหรับAl₂o₃) ทำให้พวกเขาเหมาะสำหรับ 5G, เรดาร์และการสื่อสารผ่านดาวเทียม
4. ความต้านทานทางเคมี: เซรามิกเป็นตัวทำละลายน้ำมันและก๊าซกัดกร่อนที่สำคัญสำหรับการใช้งานอุตสาหกรรมและยานยนต์ภายใต้ฮูด

สำหรับการออกแบบหลายชั้นผลประโยชน์เหล่านี้: การซ้อนชั้นเซรามิกช่วยให้วงจรที่มีประสิทธิภาพสูงและมีประสิทธิภาพสูงโดยไม่ต้องเสียสละความร้อนหรือความสมบูรณ์ทางกล

วัสดุสำคัญสำหรับ PCBs เซรามิกหลายชั้น
ทางเลือกของสารตั้งต้นเซรามิกส่งผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพต้นทุนและความซับซ้อนในการผลิต วัสดุที่พบมากที่สุดสามชนิดคือ:

A.ALUMINA เป็น Workhorse, การปรับสมดุลค่าใช้จ่ายและประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานอุตสาหกรรมส่วนใหญ่
B.Aln เก่งในการออกแบบที่ใช้ความร้อน (เช่นโมดูล IGBT) แต่ต้องใช้การประมวลผลพิเศษ
C.zirconia สงวนไว้สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงซึ่งความทนทานเชิงกล (เช่นความต้านทานต่อการสั่นสะเทือน) จะถูกจัดลำดับความสำคัญเหนือการนำความร้อน

กระบวนการผลิต PCB แบบหลายชั้นเซรามิก
การผลิต PCB เซรามิกหลายชั้นเกี่ยวข้องกับขั้นตอนที่แม่นยำซึ่งแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากการผลิต PCB อินทรีย์เนื่องจากธรรมชาติที่เปราะบางและอุณหภูมิสูงของวัสดุเซรามิก
1. การเตรียมสารตั้งต้น
A.Ceramic Powder Milling: ผงเซรามิกดิบ (เช่นal₂o₃) ผสมกับสารยึดเกาะ (polyvinyl butyral) ตัวทำละลายและพลาสติกเพื่อสร้างสารละลาย การกัดลดขนาดอนุภาคเป็น1-5μmสำหรับความหนาแน่นสม่ำเสมอ
B.Tape Casting: สารละลายจะแพร่กระจายไปยังฟิล์มพาหะ (PET) โดยใช้ใบมีดหมอสร้างแผ่นสีเขียวบาง ๆ (หนา 0.1–0.5 มม.) แผ่นเหล่านี้จะแห้งเพื่อลบตัวทำละลายสร้าง“ เทปสีเขียว” ที่ยืดหยุ่นและมีความยืดหยุ่น

2. การสร้างลวดลายเลเยอร์
A.laser Drilling: Microvias (เส้นผ่านศูนย์กลาง 50–200μm) ถูกเจาะเข้าไปในเทปสีเขียวเพื่อเชื่อมต่อเลเยอร์ การขุดเจาะด้วยเลเซอร์ช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีความแม่นยำโดยไม่ต้องใช้วัสดุที่เปราะบาง - การขุดเจาะเชิงกลนั้นไม่แน่นอนเกินไปสำหรับเซรามิกบาง ๆ
B.Metallization: พาสเทสนำไฟฟ้า (โดยทั่วไปคือทังสเตนโมลิบดีนัมหรือทองแดง) จะถูกพิมพ์หน้าจอลงบนเทปสีเขียวเพื่อสร้างร่องรอยแผ่นรองและผ่านการเติม ทังสเตนและโมลิบดีนัมเข้ากันได้กับการเผาอุณหภูมิสูง ทองแดงต้องการกระบวนการอุณหภูมิที่ต่ำกว่า (เช่นการยิงร่วมที่ 900 ° C)

3. ชั้นวางซ้อนและการเคลือบ
A.Alignment: แผ่นสีเขียวอยู่ในแนวเดียวกันโดยใช้เครื่องหมาย fiducial เพื่อให้แน่ใจว่าผ่านการลงทะเบียนผ่านและติดตามข้ามเลเยอร์ (ความอดทน±5μm)
B.Lamination: ชั้นวางซ้อนจะถูกกดที่ 50–100 ° C และ 10–30 MPa เพื่อผูกมัดพวกเขาในบล็อกเดียวลบช่องว่างอากาศที่อาจทำให้เกิดข้อบกพร่องในระหว่างการเผา

4. การเผา
A.Binder Burnout: ลามิเนตที่ซ้อนกันถูกทำให้ร้อนถึง 300–600 ° C ในอากาศหรือไนโตรเจนเพื่อกำจัดสารยึดเกาะอินทรีย์ป้องกันฟองก๊าซในระหว่างการเผา
B.Sintering: ลามิเนตถูกยิงที่อุณหภูมิสูง (1,500–1,700 ° C สำหรับAl₂o₃; 1,600–1,800 ° C สำหรับ Aln) เพื่อทำให้ชั้นเซรามิกและฟิวส์ ในระหว่างการเผาวัสดุจะหดตัวลง 15-20%ซึ่งเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญสำหรับความแม่นยำในการออกแบบ
C.COOLING: การระบายความร้อนแบบควบคุม (≤5° C/นาที) ลดความเครียดจากความร้อนและการแตกร้าวโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ PCB ขนาดใหญ่หรือหนา

5. หลังการประมวลผล
A.SURFACE METALLIZATION: เซรามิกที่ถูกเผาจะถูกสร้างขึ้นด้วยทองแดงทองคำหรือนิกเกิล-ทอง (Enig) เพื่อปรับปรุงความสามารถในการบัดกรี ชั้นทังสเตน/โมลิบดีนัมมักจะถูกชุบด้วยนิกเกิลเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชัน
B.dicing: แผงเผาถูกตัดเป็น PCB แต่ละตัวโดยใช้เลื่อยเพชรหรือเลเซอร์หลีกเลี่ยงความเครียดเชิงกลที่สามารถแตกเซรามิกได้
C. การทดสอบ: การทดสอบไฟฟ้า (ความต่อเนื่อง, ความต้านทานฉนวน) และการทดสอบความร้อน (การถ่ายภาพอินฟราเรด) ตรวจสอบประสิทธิภาพ

ความท้าทายในการผลิต PCB แบบหลายชั้นเซรามิก
แม้จะมีข้อดีของพวกเขา PCB เซรามิกนำเสนออุปสรรคการผลิตที่ไม่ซ้ำกัน:
A.Shrinkage Control: การหดตัว 15–20% การหดตัวต้องใช้การปรับขนาดการออกแบบก่อนช่วงก่อน (เช่น PCB สุดท้าย 100 มม. ต้องใช้แผ่นสีเขียว 120 มม.)
B.COST: วัตถุดิบ (โดยเฉพาะ Aln) และการประมวลผลอุณหภูมิสูงทำให้ PCBs เซรามิก 5–10x แพงกว่า FR-4
C.Brittleness: เซรามิกมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวในระหว่างการจัดการต้องใช้เครื่องมือพิเศษและการประมวลผลที่อ่อนโยน
ความซับซ้อนของ D.Design: ร่องรอยการเลือก (<50μM) นั้นยากที่จะพิมพ์บนเทปสีเขียวจำกัดความหนาแน่นเมื่อเทียบกับ HDI อินทรีย์ PCBs

ข้อดีของ PCBs เซรามิกหลายชั้น
ความท้าทายจะถูกชดเชยด้วยประโยชน์ด้านประสิทธิภาพที่ทำให้ PCB เซรามิกไม่สามารถถูกแทนที่ได้ในแอปพลิเคชันหลัก:
1. การจัดการความร้อนแบบเหนือกว่า: PCB-based ALN ลดอุณหภูมิทางแยก LED 30-40 ° C เมื่อเทียบกับ FR-4 ซึ่งขยายอายุการใช้งานจาก 50,000 เป็น 100,000+ ชั่วโมง
2. ความน่าเชื่อถือที่อุณหภูมิสูง: รักษาฟังก์ชั่นในอ่าวเครื่องยนต์ยานยนต์ (150 ° C+) และเตาเผาอุตสาหกรรม (500 ° C+)
3. การสูญเสียสัญญาณต่ำ: การสูญเสียอิเล็กทริก <0.001 ที่ 10GHz ช่วยให้ 5G mmwave (28–60GHz) และระบบเรดาร์ที่มีการย่อยสลายสัญญาณน้อยที่สุด
4. ความต้านทานทางเคมีและความชื้น: ทนต่อการสัมผัสกับน้ำมันเชื้อเพลิงและความชื้นในสภาพแวดล้อมทางทะเลหรืออุตสาหกรรม
5. ความเสถียรในมิติ: สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ใกล้กับซิลิกอน (4–6 ppm/° C) ลดความเครียดในข้อต่อประสานในแพ็คเกจเซมิคอนดักเตอร์

แอปพลิเคชันของ PCBs เซรามิกหลายชั้น
PCBs เซรามิกเก่งในสภาพแวดล้อมที่ PCBs ออร์แกนิกล้มเหลว:
A.Aerospace and Defense: ระบบนำทางขีปนาวุธโมดูลเรดาร์และเซ็นเซอร์เครื่องยนต์ (ทนต่ออุณหภูมิและการสั่นสะเทือน)
B.Power Electronics: โมดูล IGBT อินเวอร์เตอร์และไดรฟ์มอเตอร์ (การกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสำหรับระบบ 100 kW)
C. Lighting: อาร์เรย์ LED พลังงานสูง (ไฟถนน, แสงอุตสาหกรรม) ที่การจัดการความร้อนช่วยป้องกันค่าเสื่อมราคาลูเมน
D.AUTOMOTIVE: เซ็นเซอร์ ADAS, โมดูลไฟฟ้า (EV) โมดูลพลังงานและการตรวจสอบระบบไอเสีย (ต้านทานความร้อนและสารเคมีภายใต้ฮูด)
e.telecommunications: แอมพลิฟายเออร์สถานีฐาน 5G และตัวรับส่งสัญญาณดาวเทียม (การสูญเสียอิเล็กทริกต่ำสำหรับสัญญาณความถี่สูง)

เปรียบเทียบ PCB เซรามิกหลายชั้นกับทางเลือกอื่น

แนวโน้มในอนาคตในการผลิต PCB เซรามิกหลายชั้น
นวัตกรรมกำลังจัดการกับอุปสรรคด้านต้นทุนและความซับซ้อน:
A. การบินร่วมอุณหภูมิต่ำ (LTCC): การเผาที่ 800–900 ° C ช่วยให้สามารถใช้โลหะทองแดงได้ลดต้นทุนและปรับปรุงการนำไฟฟ้า
B. การผลิตที่เพิ่มขึ้น: การพิมพ์ 3 มิติของชั้นเซรามิกช่วยให้รูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน (เช่นช่องระบายความร้อนภายใน) ไม่สามารถทำได้ด้วยการหล่อเทป
C.Hybrid Designs: การรวมชั้นเซรามิกและชั้น FR-4 ทำให้ประสิทธิภาพและค่าใช้จ่ายในระบบผสมสัญญาณ

คำถามที่พบบ่อย
ถาม: จำนวนเลเยอร์สูงสุดสำหรับ PCBs เซรามิกหลายชั้นคืออะไร?
ตอบ: โดยทั่วไปแล้ว 4-10 ชั้นถูก จำกัด ด้วยความท้าทายในการจัดตำแหน่งในระหว่างการซ้อน กระบวนการขั้นสูงสามารถบรรลุ 12–16 ชั้นสำหรับการใช้งานการบินและอวกาศพิเศษ

ถาม: PCB เซรามิกสามารถใช้ส่วนประกอบที่ติดตั้งบนพื้นผิวได้หรือไม่?
ตอบ: ใช่ แต่การวางบัดกรีจะต้องได้รับการออกแบบสำหรับส่วนประกอบอุณหภูมิสูง (เช่น SAC305 ประสานซึ่งละลายที่ 217 ° C ทำงานร่วมกับ PCB เซรามิก)

ถาม: PCB เซรามิกจัดการกับการสั่นสะเทือนได้อย่างไร?
ตอบ: ในขณะที่เปราะความแข็งแรงเชิงกลสูงของเซรามิก (Al₂o₃มีความแข็งแรงของการดัดงอ 300–400 MPa) ช่วยให้สามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีแนวโน้มการสั่นสะเทือนได้ง่ายเมื่อติดตั้งอย่างถูกต้องด้วยการติดตั้งที่ดูดซับแรงกระแทก

ถาม: Ceramic PCBS เป็นไปตามมาตรฐานหรือไม่?
ตอบ: ใช่สารตั้งต้นเซรามิกและวัสดุโลหะ (ทังสเตน, ทองแดง, นิกเกิล) เป็นไปตามข้อกำหนดของ ROHS โดยไม่มีสารอันตราย

ถาม: เวลานำสำหรับ PCB เซรามิกหลายชั้นคืออะไร?
ตอบ: 4–6 สัปดาห์สำหรับต้นแบบ; 8–12 สัปดาห์สำหรับการผลิตในปริมาณมากเนื่องจากขั้นตอนการเผาและการโพสต์

บทสรุป
PCB เซรามิกหลายชั้นเป็นเทคโนโลยีพิเศษ แต่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานในสภาพที่รุนแรง ค่าการนำความร้อนที่เหนือกว่าความเสถียรอุณหภูมิสูงและความต้านทานทางเคมีทำให้พวกเขาไม่สามารถถูกแทนที่ได้ในการบินและอวกาศอิเล็กทรอนิกส์พลังงานและการใช้งาน 5G แม้จะมีต้นทุนการผลิตที่สูงขึ้น
ในฐานะที่เป็นวัสดุและกระบวนการล่วงหน้า (เช่น LTCC, การพิมพ์ 3D), PCB เซรามิกจะเข้าถึงได้มากขึ้นขยายการใช้งานของพวกเขานอกเหนือจากตลาดเฉพาะ สำหรับวิศวกรและผู้ผลิตการทำความเข้าใจข้อกำหนดการผลิตที่เป็นเอกลักษณ์ของพวกเขาเป็นกุญแจสำคัญในการใช้ประโยชน์จากศักยภาพของพวกเขาอย่างเต็มที่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป