Keraamiset piirilevyt ovat välttämättömiä nykyaikaisissa elektroniikkalaitteissa, erityisesti suuritehoisissa ja -taajuisissa sovelluksissa. Niiden poikkeuksellinen lämmönjohtavuus, eristysominaisuudet ja mekaaninen lujuus tekevät niistä ihanteellisen valinnan vaativiin ympäristöihin. Ohutkalvokeraamiset piirilevyt erottuvat joukosta erinomaisen kuviotarkkuutensa ja sähköisen suorituskykynsä ansiosta, ja niillä on ratkaiseva rooli huippuluokan elektroniikkajärjestelmissä.
Paksu kalvo vs. ohut kalvo
Metallinnus on prosessi, jossa eristävälle keraamiselle alustalle muodostetaan johtavia jälkiä. Kaksi päämenetelmää ovat paksukalvo ja ohutkalvo teknologia. Kummallakin on omat vahvuutensa, ja valinta riippuu sovelluksen vaatimuksista.
Tässä on nopea vertailu:
| Aspect | Paksukalvotekniikka | Ohutkalvotekniikka |
|---|
| Prosessin tyyppi | Subtraktiivinen (silkkipaino ja sintraus) | Additiivinen (sputterointi + fotolitografia + pinnoitus) |
| Viivan leveys/tilavuus | ≥ 60µm | < 10µm |
| Metallin paksuus | Muutamasta µm:stä kymmeniin µm:iin | < 1µm (siemenkerros), pinnoitettu paksuuteen |
| Johtavuus | Kohtalainen (lasia sisältävä tahna) | Korkea (puhdas, tiheä metalli) |
| Prosessin monimutkaisuus | Alhainen tai kohtalainen | Korkea |
| Kustannukset | Alempi | Korkeampi |
| Tyypilliset käyttötapaukset | Autoteollisuus, tehomoduulit ja luotettavat yleiskomponentit | Suuritaajuiset, suuritehoiset, kompaktit laitteet: RF/mikroaallot, laserit, optinen viestintä. |
Lyhyesti sanottuna, Paksu kalvo on suhteellisen yksinkertainen ja kustannustehokas tulostusprosessi. Ohutkalvo on kehittynyt puolijohdetyyppinen mikrovalmistusprosessi. Valinta riippuu suorituskyvystä, koosta ja budjettitarpeista.
Ohutkalvokeraamisen piirilevyn valmistaminen on tarkka, monivaiheinen prosessi:
Substraatin esivalmistelu → Sputterointi → Fotolitografia → pinnoitus → syövytys
1. Substraatin valmistelu
Keraaminen pinta on valmisteltava täydellisesti, jotta varmistetaan vahva metallin tarttuvuus. Alustoja on kolmea pääasiallista pintakäsittelyä:
- As-fired: Luonnollinen sintrattu pinta - tiivis, sileä (Ra < 0,1 µm) ja ihanteellinen ohutkalvopiireille.
- Lapped: Mekaanisesti hiottu pinta - karheampi (Ra > 0,1 µm).
- Kiillotettu: Sileä, peilimäinen viimeistely (Ra < 0,05 µm), joka saavutetaan kiillottamalla.
Osat ohennetaan usein tarkkoihin mittoihin käyttämällä kaksipuolinen läpivienti (paksuuden tasaisuutta varten) tai yksipuolinen läpivienti.
2. Magnetronipölytys
Tämä tyhjiöpohjainen prosessi muodostaa ohuen, erittäin tasaisen metallikerroksen (tyypillisesti 200-500 nm). Argon-ionit pommittavat metallikohdetta (esim. Cu tai Cr) ja sinkoavat atomeja, jotka sitoutuvat voimakkaasti keraamiseen pintaan. Näin luodaan erittäin puhdas ja tiheä perusta johtavalle piirille.
3. Kuviointi ja pinnoitus
Tässä vaiheessa piirisuunnittelu muotoutuu, tyypillisesti käyttäen apuna kuvioiminen:
- Fotolitografia: Valoherkkää resisttiä levitetään, altistetaan UV-valolle kuvioidun maskin läpi ja kehitetään, jolloin piirikuvio paljastuu siemenkerroksessa.
- Galvanointi: Paljastettu siemenkerros galvanoidaan (esim. kuparilla) johtimen paksuuden lisäämiseksi.
- Resist Strippaus & syövytys: Jäljellä oleva vastus poistetaan ja ei-toivottu siemenkerrosmateriaali syövytetään pois, jolloin jäljelle jäävät tarkat, itsenäiset piirijäljet.
Miksi valita ohutkalvokeraamiset piirilevyt?
Tärkeimmät edut
- Äärimmäinen tarkkuus: Tukee jäljen leveyksiä ja välilyöntejä alle 10 µm - täydellinen miniatyrisoituihin ja suurikokoisiin laitteisiin.
- Ylivoimainen korkeiden taajuuksien suorituskyky: Ihanteellinen RF, mikroaallot ja millimetriaallot hienojen ominaisuuksien ja vähähäviöisten materiaalien ansiosta.
- Erinomainen lämmönhallinta: Yhdessä korkean lämmönjohtavuuden omaavien keraamisten materiaalien (AlN, Al₂O₃) kanssa nämä levyt johtavat tehokkaasti pois suuritehoisten komponenttien lämpöä.
- Integroidut passiivit: Mahdollistaa ohutkalvovastusten, kondensaattoreiden tai induktoreiden upottamisen suoraan substraattiin.
Ensisijaiset sovellukset
Ohutkalvokeraamiset piirilevyt ovat ensisijainen ratkaisu useilla korkean suorituskyvyn aloilla:
- RF- ja mikroaalto-elektroniikka: Käytetään LNA:t, suodattimet, vaihesiirtimetsekä lähetys- ja vastaanottomoduulit (T/R) viestintä- ja tutkajärjestelmiä varten.
- Ilmailu- ja avaruusala; puolustus: Niiden pieni koko, keveys ja korkea luotettavuus ovat kriittisiä ilmailutekniikassa, satelliiteissa ja muissa kriittisissä järjestelmissä.
- Suuritehoinen optoelektroniikka: Toimivat substraatteina laserdiodit (mukaan lukien LiDAR) ja kirkkaat LED-pakkaukset, joissa tarkkuus ja lämmönhallinta ovat ensiarvoisen tärkeitä.
- Kehittyneet anturit ja lääkinnälliset laitteet: Käytetään sovelluksissa, jotka vaativat korkeaa signaalin eheyttä ja pienikokoisuutta.
Päätelmä
Elektroniikan kehittyessä edelleen kohti suurempi miniatyrisointi, suurempi tehotiheys ja nopeammat taajuudet., ohutkalvokeraamiset piirilevyt tarjoavat tehokkaan ja suorituskykyisen ratkaisun. Vaikka ne ovat monimutkaisempia ja kalliimpia kuin paksukalvovaihtoehdot, ne ovat usein ainoa vaihtoehto, kun suorituskyky ja tarkkuus ovat ehdottoman tärkeitä.
Ohutkalvotekniikan ymmärtäminen antaa piirilevyalan ammattilaisille valmiudet vastata kehittyneiden elektroniikkapakkausten kasvaviin vaatimuksiin - siirtämällä järjestelmäintegraation mahdollisia rajoja.