Płytki drukowane z tlenku glinu poprawiają zarządzanie termiczne w elektronice

W branżach, w których wysokie temperatury, wysokie częstotliwości i trudne warunki są normą, konwencjonalne płytki drukowane (PCB) często nie sprawdzają się. Tlenek glinu (Al₂O₃) ceramiczne płytki PCB stały się lepszą alternatywą, oferującą wyjątkowe właściwości termiczne, elektryczne i mechaniczne. Te podłoża ceramiczne, składające się w 96% z tlenku glinu, są coraz częściej stosowane w różnorodnych zastosowaniach, od oświetlenia LED po urządzenia medyczne.

Ceramika zawierająca 96% tlenku glinu jest najpowszechniej stosowanym materiałem na ceramiczne płytki PCB i opakowania ze względu na jego zrównoważoną wydajność i opłacalność. Do jego godnych uwagi właściwości należą:

• Zarządzanie ciepłem:Dzięki przewodności cieplnej wynoszącej 22–24 W/mK tlenek glinu skutecznie rozprasza ciepło lub umożliwia równomierne ogrzewanie, co jest krytyczne dla energoelektroniki i diod LED o wysokiej jasności.
• Kompatybilność wysokich częstotliwości:Niska stała dielektryczna (9,8 przy 1 MHz) i minimalne straty dielektryczne zapewniają integralność sygnału w zastosowaniach RF i mikrofalowych.
• Wytrzymałość mechaniczna:Wytrzymałość na zginanie wynosząca 400 MPa i niemal zerowa absorpcja wody (0%) sprawiają, że idealnie nadaje się do stosowania w trudnych warunkach i w hermetycznych opakowaniach.
• Stabilność termiczna:Działa w temperaturze do 350°C przy niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej (6–8 ppm/°C), redukując naprężenia złącza lutowniczego.

Wszechstronność płytek PCB z tlenku glinu umożliwia ich zastosowanie w wyspecjalizowanych dziedzinach:

• Oświetlenie LED:Wysoki współczynnik odbicia (94%) i rozpraszanie ciepła zwiększają jasność i trwałość.
• Elektronika medyczna:Biokompatybilność i niezawodność spełniają rygorystyczne normy bezpieczeństwa dotyczące urządzeń wszczepialnych i diagnostycznych.
• Elektronika mocy:Obsługuje wysokie gęstości prądu w napędach silników i przetwornicach mocy.
• Przemysł lotniczy i motoryzacyjny:Wytrzymuje wibracje, cykle termiczne i środowiska korozyjne.

Do metalizacji podłoży z tlenku glinu stosuje się dwie podstawowe metody:

• Druk grubowarstwowy:Wykorzystuje pasty srebrne (Ag), odpowiednie do konstrukcji wielowarstwowych i zastosowań wysokotemperaturowych.
• Miedź powlekana bezpośrednio (DPC):Powłoki galwaniczne z miedzi (Cu) zapewniające doskonałą przewodność, preferowane w obwodach dużej mocy i wysokiej częstotliwości.

Wykończenia powierzchni, takie jak ENIG (bezprądowe złoto niklowe) lub maski lutownicze na bazie szkła, dodatkowo zwiększają trwałość, szczególnie w środowiskach bogatych w siarkę.

Choć płytki PCB z tlenku glinu są podobne do tradycyjnych płytek FR4, projektanci muszą wziąć pod uwagę:

• Niedopasowanie rozszerzalności cieplnej:Upewnij się, że dołączone komponenty są kompatybilne z materiałami, aby uniknąć pęknięć.
• Ograniczenia warstw:Standardowe procesy obsługują do 4 warstw, chociaż zaawansowane techniki mogą pozwalać na więcej.
• Rozmiar panelu:Maksymalne wymiary typowych paneli produkcyjnych to 180 × 180 mm (7 × 7 cali).

Chociaż płytki PCB z tlenku glinu są droższe niż FR4, w konstrukcjach zintegrowanych przewyższają alternatywy z rdzeniem metalowym (np. IMS). Eliminując barierę termiczną warstw dielektrycznych w płytkach PCB z metalowym rdzeniem, tlenek glinu osiąga niższy ogólny opór cieplny pomimo swojej umiarkowanej przewodności.

W przypadku projektów wrażliwych na koszty minimalizacja rozmiaru płytki i wykorzystanie możliwości integracji (np. komponentów wbudowanych) może zrekompensować wydatki materiałowe.