دليل تقني للوحات PCB الخزفية عالية التوصيل الحراري

في ظل التطور السريع الذي تشهده اليوم إلكترونيات الطاقة والاتصالات عالية التردد وتكنولوجيا أشباه الموصلات، أدى ارتفاع كثافة الطاقة ومستوى تكامل المكونات الإلكترونية إلى إدارة الحرارة a core factor determining product performance, reliability, and lifespan. Traditional organic PCB substrates (like FR-4), with their low thermal conductivity (typically <0.5 W/m·K), struggle to meet the heat dissipation demands of high-power scenarios. In this context, ركائز خزفية عالية التوصيل الحراري ظهرت كحل مثالي للتبريد الإلكتروني المتقدم، بفضل خصائصها الشاملة الاستثنائية.

1. لماذا تختار ركائز السيراميك?

Ceramic substrates are not a single material but a category of circuit substrates using inorganic non-metallic materials like alumina (Al₂O₃), aluminum nitride (AlN), and silicon nitride (Si₃N₄) as the insulating layer. Their advantages over traditional substrates are fundamental:

• خصائص حرارية ممتازة:
  • موصلية حرارية عالية: Wide range (24 ~ 200+ W/m·K), enabling rapid heat transfer from chips to heat sinks, significantly lowering junction temperature, and improving device efficiency and lifespan.
  • معامل تمدد حراري منخفض ومتوافق (CTE): إن معامل التمدد الحراري للسيراميك قريب جدًا من معامل التمدد الحراري لرقائق أشباه الموصلات (مثل Si و SiC و GaN)، مما يقلل بشكل كبير من الإجهاد الناتج عن الدورات الحرارية، ويمنع تشقق الرقائق وإجهاد وصلات اللحام.
• خصائص كهربائية وميكانيكية فائقة:
  • قوة عزل عالية: يتحمل انهيار الجهد العالي، مما يضمن السلامة في التطبيقات عالية الجهد.
  • قوة ميكانيكية عالية: High flexural strength, compressive strength ≥500 MPa, structurally stable.
  • استقرار كيميائي جيد: مقاومة للتآكل والرطوبة، ومناسبة للبيئات القاسية.
• قدرات الدوائر المتقدمة:
  • ربط قوي لطبقة النحاس: يحقق الترابط القوي بين طبقة النحاس والسيراميك (>20 نيوتن/مم) من خلال عمليات خاصة.
  • دقة عالية في الدوائر الكهربائية: يدعم الدوائر على مستوى الميكرون (يمكن أن يصل الحد الأدنى لعرض/تباعد الخطوط إلى 0.05 مم)، مما يلبي متطلبات التكامل عالي الكثافة.

2. مقارنة بين المواد الأساسية المستخدمة في صناعة السيراميك

تتميز المواد الخزفية المختلفة بخصائصها الخاصة لتلبية احتياجات التطبيقات المتنوعة. وفيما يلي مقارنة بين المواد الثلاثة الرئيسية:

3. العمليات التصنيعية الرئيسية

هذه العملية أساسية لتحقيق الترابط المثالي بين السيراميك والمعدن. تحدد العمليات الثلاث الرئيسية الحد الأقصى للأداء النهائي للركيزة.

1. عملية DBC (النحاس الملحوم مباشرة)
   • العملية: Copper foil and ceramic surface undergo eutectic melting at high temperature (1065~1085°C) in an oxygen-containing nitrogen atmosphere, forming strong Cu-O chemical bonds.
   • الخصائص:
     • المزايا: Thick copper layer (typically 100μm~600μm), high current-carrying capacity, excellent thermal conductivity.
     • التحديات: Requires strict control of temperature and atmosphere; relatively lower circuit precision (line width/spacing typically >100μm).
   • التطبيقات: وحدات طاقة عالية التيار وعالية التبديد الحراري (مثل محولات السيارات الكهربائية).
2. عملية DPC (النحاس المطلي مباشرة)
   • العملية: يستخدم عمليات أشباه الموصلات: أولاً، رش طبقة معدنية أساسية على الركيزة الخزفية، ثم تشكيل الدوائر من خلال الطباعة الضوئية والطلاء الكهربائي والحفر.
   • الخصائص:
     • المزايا: دقة عالية جدًا للدوائر (يمكن أن تصل إلى مستوى الميكرون)، استواء سطحي عالي، مناسب للأسلاك المعقدة والدقيقة.
     • التحديات: Plated copper layer is relatively thin (typically 10μm~100μm), slightly weaker for very high currents, and higher cost.
   • التطبيقات: المجالات التي تتطلب دقة عالية، مثل التغليف بالليزر، الترددات اللاسلكية/الموجات الدقيقة، أجهزة الاستشعار.
3. عملية AMB (اللحام بالمعدن النشط)
   • العملية: تحسين قائم على DBC، باستخدام معجون لحام يحتوي على عناصر نشطة (مثل Ti، Zr) لربط النحاس والسيراميك في فراغ أو جو خامل.
   • الخصائص:
     • المزايا: قوة الرابطة يتجاوز بكثير DBC، موثوقية أعلى، مناسب بشكل خاص لـ نتريد الألومنيوم (AlN) الركائز. مقاومة ممتازة للإجهاد الحراري.
     • التحديات: العملية الأكثر تعقيدًا، والتكلفة الأعلى.
   • التطبيقات: المجالات التي تتطلب موثوقية فائقة، مثل الفضاء الجوي والقطارات عالية السرعة ومحولات الدفع الرئيسية للمركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة (خاصة بالنسبة لوحدات الطاقة SiC).

4. مرجع اختيار المعلمات الفنية

باستخدام Jingci Precision Tech كمثال

5. مجالات تطبيق واسعة

تعد الركائز الخزفية عالية التوصيل الحراري أساسًا للعديد من الصناعات عالية التقنية:

• أشباه الموصلات وتغليف الدوائر المتكاملة: يوفر بيئة تشغيل مستقرة ومنخفضة الحرارة لوحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) ووحدات FPGA وشرائح الذاكرة.
• إلكترونيات الطاقة وأجهزة SiC/GaN: يستخدم في المحولات والمحولات UPS؛ "ناقل" مثالي لأشباه الموصلات ذات الفجوة العريضة مثل SiC/GaN.
• إلكترونيات السيارات: مكون أساسي لتبديد الحرارة في وحدات التحكم الإلكترونية (ECU) ووحدات التحكم في المحركات ووحدات الشحن المتنقلة (OBC) وأجهزة LiDAR.
• اتصالات الجيل الخامس 5G: تتطلب مضخمات الطاقة اللاسلكية للمحطات الأساسية ووحدات الهوائيات ركائز خزفية لتبريدها بكفاءة من أجل الحفاظ على استقرار الإشارة.
• الليزر والإلكترونيات الضوئية: تغليف لمصابيح LED عالية الطاقة، صمامات ليزر (LD)، أجهزة كشف ضوئية.
• الفضاء الجوي والفضاء؛ الدفاع: أنظمة إلكترونية تتطلب أقصى درجات الموثوقية والمقاومة للبيئات القاسية.

6.اتجاهات التنمية في المستقبل

• الابتكار في المواد: تطوير مواد جديدة ذات موصلية حرارية أعلى (مثل السيراميك المركب بالماس) ومطابقة أفضل لمعامل التمدد الحراري.
• دمج العمليات وصقلها: الجمع بين مزايا العمليات المختلفة (مثل DPC+AMB) لزيادة تحسين دقة الدوائر وموثوقيتها.
• التكامل والتقسيم إلى وحدات: الانتقال إلى المكونات المدمجة والتعبئة ثلاثية الأبعاد (3D-IPAC) لتقليل حجم النظام وتحسين الأداء.
• تحسين التكلفة: خفض تكلفة الركائز الخزفية عالية الأداء من خلال الإنتاج الضخم وتحسين العمليات، وتوسيع نطاق تطبيقاتها في السوق.

الخاتمة

أصبحت الركائز الخزفية عالية التوصيل الحراري مكونات لا غنى عنها في إدارة الحرارة في التطبيقات عالية الطاقة وعالية التردد. إن الفهم الصحيح لخصائص المواد والتغيرات في العمليات، واختيار النوع المناسب، هو خطوة حاسمة للمهندسين لتصميم منتجات عالية الأداء وموثوقة للغاية.