Trong các ngành công nghiệp nơi nhiệt độ cao, tần số cao và điều kiện khắc nghiệt là tiêu chuẩn, các bảng mạch in (PCB) thông thường thường không đáp ứng được. PCB gốm Alumina (Al
2
O
3
) đã nổi lên như một giải pháp thay thế vượt trội, mang lại các đặc tính nhiệt, điện và cơ học đặc biệt. Với thành phần 96% alumina, các chất nền gốm này ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ chiếu sáng LED đến thiết bị y tế.
Những Ưu Điểm Chính của PCB Alumina
Gốm Alumina 96% là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất cho PCB và bao bì gốm do hiệu suất cân bằng và tính kinh tế. Các đặc tính đáng chú ý của nó bao gồm:
-
Quản lý Nhiệt:
Với độ dẫn nhiệt từ 22–24 W/mK, alumina tản nhiệt hiệu quả hoặc cho phép làm nóng đồng đều, rất quan trọng đối với thiết bị điện tử công suất và đèn LED có độ sáng cao.
-
Khả Năng Tương Thích Tần Số Cao:
Hằng số điện môi thấp (9.8 ở 1MHz) và tổn thất điện môi tối thiểu đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu trong các ứng dụng RF và vi sóng.
-
Độ Bền Cơ Học:
Độ bền uốn 400 MPa và độ hấp thụ nước gần bằng không (0%) làm cho nó lý tưởng cho môi trường khắc nghiệt và bao bì kín.
-
Tính Ổn Định Nhiệt:
Hoạt động lên đến 350°C với hệ số giãn nở nhiệt thấp (6–8 ppm/°C), làm giảm ứng suất mối hàn.
Ứng Dụng Trong Các Ngành Công Nghiệp
Tính linh hoạt của PCB alumina cho phép chúng được sử dụng trong các lĩnh vực chuyên biệt:
-
Chiếu Sáng LED:
Độ phản xạ cao (94%) và khả năng tản nhiệt tăng cường độ sáng và tuổi thọ.
-
Thiết Bị Điện Tử Y Tế:
Khả năng tương thích sinh học và độ tin cậy đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt cho các thiết bị cấy ghép và chẩn đoán.
-
Thiết Bị Điện Tử Công Suất:
Xử lý mật độ dòng điện cao trong bộ truyền động động cơ và bộ chuyển đổi nguồn.
-
Hàng Không Vũ Trụ và Ô Tô:
Chịu được rung động, chu kỳ nhiệt và môi trường ăn mòn.
Kỹ Thuật Sản Xuất: Màng Dày so với Đồng Mạ Trực Tiếp
Hai phương pháp chính được sử dụng để kim loại hóa chất nền alumina:
-
In Màng Dày:
Sử dụng bột nhão bạc (Ag), thích hợp cho thiết kế nhiều lớp và các ứng dụng nhiệt độ cao.
-
Đồng Mạ Trực Tiếp (DPC):
Mạ điện đồng (Cu) để dẫn điện vượt trội, được ưa chuộng cho các mạch công suất cao và tần số cao.
Các lớp hoàn thiện bề mặt như ENIG (Vàng nhúng niken không điện) hoặc mặt nạ hàn gốc thủy tinh tiếp tục tăng cường độ bền, đặc biệt trong môi trường giàu lưu huỳnh.
Thông Số Kỹ Thuật của Alumina 96%
|
Thuộc tính
|
Giá trị
|
Đơn vị
|
|
Độ Dẫn Nhiệt (25°C)
|
22
|
W/m·K
|
|
Hằng Số Điện Môi (1MHz)
|
9.8
|
-
|
|
Độ Bền Uốn
|
400
|
MPa
|
|
CTE (RT–500°C)
|
6.82
|
ppm/°C
|
|
Nhiệt Độ Vận Hành Tối Đa
|
350
|
°C
|
Các Cân Nhắc Thiết Kế
Mặc dù PCB alumina có những điểm tương đồng với các bảng FR4 truyền thống, nhưng các nhà thiết kế phải tính đến:
-
Sự Lệch Pha Giãn Nở Nhiệt:
Đảm bảo các vật liệu tương thích cho các thành phần được gắn để tránh nứt.
-
Giới Hạn Lớp:
Các quy trình tiêu chuẩn hỗ trợ tối đa 4 lớp, mặc dù các kỹ thuật tiên tiến có thể cho phép nhiều hơn.
-
Kích Thước Tấm:
Các tấm sản xuất điển hình tối đa là 180 × 180 mm (7 × 7 inch).
Sự Đánh Đổi Chi Phí và Hiệu Suất
Mặc dù PCB alumina đắt hơn FR4, nhưng chúng vượt trội hơn các giải pháp thay thế lõi kim loại (ví dụ: IMS) trong các thiết kế tích hợp. Bằng cách loại bỏ rào cản nhiệt của các lớp điện môi trong PCB lõi kim loại, alumina đạt được điện trở nhiệt tổng thể thấp hơn mặc dù độ dẫn điện khiêm tốn của nó.
Đối với các dự án nhạy cảm về chi phí, việc giảm thiểu kích thước bảng và tận dụng các cơ hội tích hợp (ví dụ: các thành phần nhúng) có thể bù đắp chi phí vật liệu.
