Đế gốm được dùng khi chính laminate là phần giới hạn của thiết kế: một module nguồn phải tự tản công suất tổn hao, một driver laser hay RF chuyển mạch đủ nhanh để tự làm nóng bo mạch, một cảm biến vẫn phải cách điện sau hàng trăm chu trình nhiệt. Gốm mang được cả nhiệt lẫn điện áp mà FR-4 không chịu được, và Hitech Circuits sản xuất các đế đó tại Thâm Quyến song song với dây chuyền cứng, flex và metal-core.
Vì sao dùng gốm thay vì FR-4
- Nhiệt — alumina đạt 20–51 W/m·K và nhôm nitride 120–220 W/m·K, so với khoảng 0,3 W/m·K của FR-4, nên đế vừa tản nhiệt vừa mang mạch.
- Điện áp — đánh thủng điện môi 15, 20 hoặc 28 kV/mm tại độ dày 0,25, 0,63 và 1,0 mm, cho phép một chi tiết mỏng chịu được điện áp làm việc cao.
- Nhiệt độ — chi tiết chịu −55 đến 850 °C, vượt xa nhiệt độ chuyển thuỷ tinh của mọi laminate.
- Giãn nở — 7,4 ppm/K trong khoảng 50 đến 200 °C, gần với độ giãn nở của silic và phần lớn vật liệu gói linh kiện, nhờ đó ứng suất mối hàn thấp trên die lớn.
- Ổn định — gốm hầu như không hấp thụ ẩm, nên tính chất điện môi vẫn giữ được trong điều kiện nhà xưởng ẩm và sau nhiều lần hàn.
Công nghệ và vật liệu
Đế đồng liên kết trực tiếp là lựa chọn thường dùng cho nguồn: lá đồng được liên kết với gốm ở nhiệt độ cao rồi ăn mòn, cho lớp đồng dày trên một bề mặt liên kết. Đế màng mỏng và màng dày dùng khi vật dẫn và điện trở được in hoặc lắng đọng và khi độ nét đường mạch quan trọng hơn khối lượng đồng; vật dẫn của chúng là AgPd hoặc AuPd, còn DCB chỉ dùng đồng.
Alumina là vật liệu tiêu chuẩn, với loại 96 % và 98 % có sẵn trong kho; nhôm nitride được chọn khi độ dẫn nhiệt quyết định thiết kế, và beryllium oxide khi cần độ dẫn cao nhất. Độ dày tồn kho thường từ 0,25 mm đến 2,0 mm với kích thước tới 130 × 140 mm, chi tiết dày và lớn hơn được sản xuất theo yêu cầu, panel alumina lớn nhất đã làm là 300 × 300 mm — bảng kích thước nằm trên trang năng lực.
Gốm có phải đế phù hợp cho thiết kế này?
Gốm chỉ đáng tiền khi chính tấm đế phải dẫn nhiệt qua một lớp cách điện mỏng:
- Khi bo mạch lõi kim loại là đủ — nếu tổn hao thoát ra vỏ qua một mặt đồng và một dãy lỗ liên kết, một bo mạch lõi kim loại bằng nhôm rẻ hơn, có sẵn ở panel lớn hơn và nhận được hình dạng mà gốm đã nung không thể có.
- Khi điện môi là giới hạn — một die trần đã cách điện hoặc một mạng điện trở in loại bỏ cả laminate lẫn chồng lõi kim loại, vì ở đó polyme làm nhiệm vụ cách điện chứ không phải tấm đế.
- Khi độ dẫn nhiệt quyết định mác vật liệu — alumina là chuẩn: nung rẻ nhất và nhận được cả vật dẫn màng mỏng lẫn màng dày. Nhôm nitride được chỉ định khi không thể làm nguội die qua alumina, còn beryllium oxide để dành cho những chi tiết mà cả hai mác kia đều không chịu nổi.
- Khi công nghệ quyết định lớp đồng — đường mạch dẫn dòng cần lớp đồng liên kết của DCB; chi tiết có điện trở in hoặc có độ nét đường mạch mịn hơn lá đồng ăn mòn thuộc về màng mỏng hoặc màng dày.
PCB gốm được dùng ở đâu
Module nguồn và cụm IGBT, động cơ LED độ sáng cao và laser, tầng RF và vi ba, cảm biến cho thiết bị y tế phải chịu tiệt trùng, và điện tử công suất ô tô nằm ngay cạnh nguồn nhiệt. Khi vấn đề là tần số chứ không phải nhiệt độ, một PCB tần số cao trên laminate Rogers, Arlon, Taconic hoặc Nelco thường là phương án rẻ hơn; gốm trở nên cần thiết khi cả hai yêu cầu xuất hiện cùng lúc.
Nơi đế gốm hỏng trong sử dụng
Những chi tiết được gửi đến để phân tích hỏng ở khâu lắp ráp và ở đường bao, không phải ở mạch:
- Nứt tại điểm cố định — gốm không có biến dạng dẻo, nên gờ bắt vít hoặc kẹp đàn hồi sẽ khởi tạo vết nứt ở mép lỗ; hãy đưa lỗ cố định ra khỏi vùng chịu ứng suất, chỉ định vòng đệm và đừng để tấm đế gánh độ cứng của vỏ.
- Bong tróc ở bề mặt DCB — đồng và gốm giãn nở khác nhau, nên một mảng đồng lớn liền khối sẽ bong từ mép sau nhiều chu trình; hãy chia đồng thành lưới hoặc thành từng đoạn thay vì giữ nguyên vì tiện đi dây.
- Phóng điện bề mặt dọc mép cắt — khắc bằng laser và tách cơ khí để vật dẫn gần mép hơn so với dữ liệu thiết kế; hãy dành một dải cấm sát đường bao và đặt đường mạch vào bên trong.
- Vết nứt vi mô từ đường bao — một góc nhọn bên trong tập trung ứng suất của mọi chu trình nhiệt; hãy bo góc trên bản vẽ và để bước tách rời đi theo bán kính đó, không theo mũi phay.
Yêu cầu báo giá
Gửi bộ Gerber hoặc DXF kèm vật liệu gốm, công nghệ, độ dày đồng, kích thước chi tiết và số lượng. Vì vật dẫn trên chi tiết màng mỏng hoặc màng dày được lắng đọng thay vì ăn mòn, artwork và dung sai được xem xét trong DFM trước khi chốt báo giá; chứng chỉ đã cấp nằm trên trang chứng chỉ.
Dịch vụ lắp ráp PCB gốm — SMT và xuyên lỗ trên đế alumina, AlN và BeO — được báo giá cùng bước gia công trên trang lắp ráp PCB, còn bo mạch sản xuất tại Trung Quốc được trình bày trên trang lắp ráp PCB tại Trung Quốc.
