ثنائي الفينيل متعدد الطبقات من السيراميك متعدد الطبقات لعام 2024: دليل التصنيع الكامل - المواد والعملية وتطبيقات الصناعة

في عصر القوة العاليةالإلكترونيات عالية التردد من محطات قاعدة 5G إلى محركات المركبات الكهربائية وأنظمة الرادار في مجال الفضاء الجويعلى عكس الـ FR4 PCBات التقليدية ، التي تكافح مع تبديد الحرارة ووحدة الإشارة في درجات الحرارة القصوى ، تستفيد الـ MLC PCBs من الركائز السيرامية (مثل الألومينا ،نتريد الألومنيوم) لتوفير توصيل حراري متفوق، مقاومة درجة الحرارة، والأداء الكهربائي. يعكس سوق MLC PCB العالمي هذا الطلب: من المتوقع أن ينمو بمعدل CAGR 9.91٪ حتى عام 2031، مدفوعًا بالتبني في قطاع السيارات والطيران والفضاء،وقطاعات الاتصالات.

يقدم هذا الدليل تقسيمًا شاملًا لتصنيع MLC PCB من اختيار المواد والإنتاج خطوة بخطوة إلى مراقبة الجودة والتطبيقات في العالم الحقيقي. مع المقارنات القائمة على البيانات,رؤى قابلة للتنفيذ، وأفضل الممارسات في الصناعة، فإنه يزود المهندسين والمشترين والمصممين لفهم واستفادة من هذه التكنولوجيا عالية الأداء.

المعلومات الرئيسية
a.تدفع تفوق المواد الأداء: الألومينية (20 30 W / mK) ونتريد الألومنيوم (170 200 W / mK) الركائز السيرامية تفوق FR4 (0.2 0.3 W / mK) في الموصلات الحرارية ،تمكين MLC PCBs من التعامل مع 350 °C + مقابلالحد الأقصى لـ 130 درجة مئوية
b.دقة التصنيع غير قابلة للتفاوض: تتطلب PCBs MLC 7 خطوات حاسمةو اختبار كل متطلبات تحملات ضيقة (± 5μm لمحاذاة الطبقة).
c. يمنع مراقبة الجودة الفشل المكلف: تخفيض معدل العيوب إلى <0.1% لتطبيقات عالية الموثوقية (eعلى سبيل المثال، الطيران والفضاء).
تتضمن التطبيقات صناعات ذات مخاطر عالية: تعد PCBs MLC ضرورية لرادار السيارات (77 GHz) ، ومصابيح LED ذات الطاقة العالية (مدة الحياة 100000 ساعة) ، والاتصالات العسكرية (مقاومة الطقس القاسي).
يتوقف النمو المستقبلي على الابتكار: التقليص (طبقات كثيفة) والتصنيع الأخضر (تخمير طاقة منخفضة) سيزيد من استخدام MLC PCB في IoT والسيارات الكهربائية.

فهم PCBs السيراميكية متعددة الطبقات (MLC PCBs)
الـ MLC PCB هي لوحات دوائر متقدمة تم بناؤها عن طريق رصدها وربط طبقات السيراميك المتعددة ، كل منها محفورة بدوائر موصلة (على سبيل المثال ، النحاس ، الفضة).هيكلهم الفريد يجمع بين الكفاءة الحرارية للسيراميك مع كثافة التصاميم متعددة الطبقات.

ما الذي يجعل الـ MLC PCBs فريدة من نوعها؟
على عكس PCBs FR4 (ألياف الزجاج + البوكسي) أو PCBs السيراميكية ذات الطبقة الواحدة ، تقدم PCBs MLC:
a. التوصيل الحراري الأعلى: نقل الحرارة بسرعة 100 × 600 مرة أسرع من FR4 ، مما يمنع ارتفاع درجة حرارة المكون.
ب. نطاق درجة حرارة أوسع: تعمل بشكل موثوق من -200 درجة مئوية (الفضاء الجوي) إلى 350 درجة مئوية (الأفران الصناعية).
c.خسارة كهربائية أقل: الحفاظ على سلامة الإشارة عند ترددات تصل إلى 100 جيجاهرتز (حاسمة لـ 5G mmWave).
د. كثافة مضغوطة: تكوين 420 طبقة من السيراميك مع ميكروفيا (50-100μm قطر) لتناسب المزيد من الدوائر في المساحات الصغيرة.

المزايا الرئيسية حسب الصناعة
تحل PCBs MLC نقاط الألم المحددة للصناعة التي لا تستطيع PCBs التقليدية. أدناه كيف تقدم قيمة عبر القطاعات الرئيسية:

اختيار المواد لـ MLC PCBs: الألومينا مقابل نتريد الألومنيوم
تبدأ أداء PCBs MLC في اختيار مواد الركائز. تهيمن السوق على سيراميكتين: الألومينا (Al2O3) ونيتريد الألومنيوم (AlN).كل واحد لديه خصائص فريدة من نوعها مصممة لتطبيقات محددة.

مقارنة المواد جنبا إلى جنب

كيفية اختيار المادة السيرامية المناسبة
a.اختيار الألومينا إذا: كنت بحاجة إلى حل فعال من حيث التكلفة لتطبيقات الحرارة المتوسطة (على سبيل المثال، محركات LED، أجهزة استشعار السيارات منخفضة الطاقة) حيث التوصيل الحراري من 20 ٪ 30 W / mK كافية.
b.اختيار نتريد الألومنيوم إذا: كنت تصمم سيناريوهات عالية الطاقة (على سبيل المثال، محركات الكهرباء الكهربائية، رادار الفضاء الجوي) التي تتطلب أقصى انبعاث الحرارة (170 ~ 200 W / mK) ومقاومة درجة الحرارة.
ج.تجنب FR4 إذا: تطبيقك يتجاوز 130 درجة مئوية أو يتطلب سلامة الإشارة أعلى من 10 غيغاهرتز.

تحضير المواد: من مسحوق إلى تشكيل مسبق
قبل التصنيع، تخضع المواد السيراميكية لإعداد دقيق لضمان التكافل والجودة:
1معالجة المسحوق: يتم طحن المسحوقات من الألومينا / AlN إلى حجم جسيمات دقيقة (1 ′′ 5μm) لضمان التخمير الكثيف لاحقًا. يتم إزالة الشوائب (مثل الحديد والسيليكا) إلى < 0.1٪ لتجنب العيوب.
2إضافة الملصق: يتم خلط المساحيق مع الملصقات العضوية (على سبيل المثال ، البوليفينيل بوتيرال) والمذيبات لإنشاء ′′سلواري′′ لزجة لصب الشريط.
3صب الشريط: يتم نشر السماد على فيلم حامل (على سبيل المثال ، PET) باستخدام شفرة طبية ، مما يؤدي إلى إنشاء أوراق سيراميكية رقيقة ومتساوية (50 × 200μm سميكة). يتم تجفيف الأوراق لإزالة المذيبات.
4القطع: يتم قطع الأوراق المجففة إلى حجم PCB المطلوب (على سبيل المثال ، 100x150 مم) ويتم اختراقها بثقوب محاذاة للتراص الدقيق.

الخطوة الحرجة: يتم اختبار نقاء المسحوق عن طريق التوهج بالأشعة السينية (XRF) لضمان عدم وجود ملوثات، حتى 0.5٪ من الحديد يمكن أن يقلل من التوصيل الحراري بنسبة 10٪.

خطوة بخطوة MLC PCB عملية التصنيع
إنتاج MLC PCB هو تسلسل مدفوع بدقة من 7 خطوات ، كل منها يتطلب معدات متخصصة ومراقبة عملية صارمة. أي انحراف (على سبيل المثال ، طبقات غير مرتبة ،غير مكتمل الصنبر) يمكن أن تجعل اللوحة غير صالحة.

1إعداد القالب: إنشاء أوراق سيراميكية موحدة
أساس MLC PCBs هو أوراق السيراميك عالية الجودة. بعد صب الشريط (المفصل أعلاه) ، تخضع الأوراق:
a.فحص السُمك: يُحقق ميكروميتر الليزر من سمك الورقة (حجم التسامح ± 2μm) لضمان تراكم طبقة متسق.
اختبار الكثافة: يتم تخزين عينات عشوائية لإزالة المواد المربطة وتوزينها للتحقق من تركيز المسحوق.
c. تنظيف السطح: يتم مسح الأوراق مع الكحول الإيزوبروبيل لإزالة الغبار ، والذي قد يسبب ثغرات الهواء في الخطوات اللاحقة.

2طبقة التراص والصفائح: ربط طبقات السيراميك
يقوم التراص بمواءمة الألواح السيرامية مع أنماط موصلة لتشكيل الهيكل متعدد الطبقات. الدقة هنا أمر بالغ الأهمية حتى عدم المواءمة 10μm يمكن أن تتحطم عبر الاتصالات.

الخطوات الرئيسية في التراكم:
a.طباعة الشاشة: يتم طباعة المعجون الموصل (النحاس أو الفضة أو الذهب) على أوراق السيراميك لإنشاء آثار الدوائر والحافظات وعبر الحافظات. يتم التحكم في لزجة المعجون (50,000 ‰ 100،000 جنيه مكعب) لضمان، خطوط موحدة.
ب. التنسيق: يتم تجميع الصفائح باستخدام أنظمة التنسيق البصري (دقة ± 5μm) التي تتطابق مع ثقوب التنسيق التي تم اختراقها في وقت سابق. يتم ترتيب الطبقات للتناوب بين الأنماط السيرامية والموصلة.
c.التصفيف: يتم الضغط على الجمع المكدس في جهاز طلاء فراغ في 70 ٪ 100 درجة مئوية وضغط 10 ٪ 20 ميجا باث. يزيل الفراغات الهوائية الفراغ ، بينما يخفف الحرارة المواد المربطة إلى طبقات الارتباط.

العوامل الحرجة للسلسلة:

3من خلال الحفر والتحديد المعدني للثقوب:
القنوات هي ثقوب صغيرة تربط الدوائر عبر الطبقات. بالنسبة لـ MLC PCB ، هناك طريقتان شائعتان:
a. الحفر بالليزر: الليزر فوق البنفسجية (طول موجة 355nm) حفر microvias (قطر 50100μm) بدقة ± 5μm. هذه الطريقة مثالية لتصاميم عالية الكثافة (على سبيل المثال، وحدات 5G).
ب.الثقب: يخلق الطقوس الميكانيكية قنواتًا أكبر (200 500μm) لتطبيقات منخفضة التكلفة (مثل محركات LED). الثقب أسرع ولكنه أقل دقة من الحفر بالليزر.
بعد الحفر:
c. التخلص من اللطخات: معالجة البلازما تُزيل السدادة المتبقية من الجدران لضمان الالتصاق مع المعدن.
التعدين: يتم ملء القوارب بالمعجون الموصل (الفضة أو النحاس) أو تغليفها بالنحاس غير الكهربائي (سمك 0.5μm) لإنشاء مسارات كهربائية بين الطبقات.

4التعدين وتصميم الدوائر: إنشاء مسارات موصلة
يتم إضافة طبقات موصلة لتشكيل دوائر وظيفية. يتم استخدام طريقتين أساسيتين:
a.طباعة الشاشة: يتم طباعة المعجون الموصل على الأوراق السيراميكية لتشكيل آثار (عرض 50 ‰ 100 ميكرومتر) والحافظات. يتم تجفيف المعجون في 120 درجة مئوية لإزالة المذيبات.
b. التبديد: للتطبيقات عالية التردد (على سبيل المثال الرادار) ، يتم تطبيق طبقة رقيقة من النحاس (1μμm) على الأوراق السيراميكية باستخدام نظام فراغ.يمنح البصق صلابة أفضل ووحدة إشارة أفضل من الطباعة الشاشية لكنه أكثر تكلفة.

فحص الجودة: يتم التحقق من عرض العلامة، وتحقيق محاذاة الملاءة، وتغطية الصبغ من خلال نظام فحص بصري تلقائي (AOI) يتم الإشارة إلى العيوب مثل العيوب المفقودة قبل الصبغ.

5التجفيف: تكثيف الهيكل السيراميكي
التجفيف هو خطوة "صنع أو كسر" التي تحول الجمع الممتلئ بالمواد العضوية إلى PCB السيراميكي الكثيف. تتضمن العملية تسخين المجموعة إلى درجات حرارة عالية ل:
أ.إزالة المواد العضوية المربطة (مرحلة الحرق: 200~400 درجة مئوية).
ب. إدراج جزيئات السيراميك في هيكل صلب كثيف (مرحلة التكثيف: 1600~1800 درجة مئوية للألومينا ؛ 1700~1900 درجة مئوية لل AlN).
c. ربط الطبقات الموصلة إلى الركيزة السيراميكية.

النتائج الرئيسية للتجفيف:

التحكم الحرج: يستخدم فرن التخمير منحدر درجة حرارة مبرمجة (5 درجة مئوية / دقيقة) لتجنب الشقوق. يؤدي التسخين السريع إلى تقلص غير متساو.

6- التشطيب السطحي: تحسين الموثوقية والقدرة على اللحام
بعد التجفيف ، يخضع MLC PCB لعلاجات سطحية لإعداده لتجميع المكونات:
a. التخطيط: يتم طحن الأسطح العليا والسفلية بمواد كشط الماسية لتحقيق مسطحة ± 5μm ◄ حاسمة لوضع المكونات المثبتة على السطح (SMC).
b.طلاء السطح: يتم تطبيق طبقة رقيقة من النيكل (5 ‰ 10μm) والذهب (0.1 ‰ 0.5μm) أو ENIG (الذهب الغمر النيكل غير الكهربائي). وهذا يحسن قابلية اللحام ويمنع الأكسدة.
c. علامة الليزر: ليزر الألياف يحفر أرقام الأجزاء و رموز المجموعات على اللوحة PCB لتتبعها.

مقارنة النهاية السطحية لـ MLC PCBs:

7التجميع النهائي والاختبار: تأكيد الأداء
تتضمن الخطوة الأخيرة تركيب المكونات والتحقق من وظائف PCBs:
1.وضع المكونات: يتم وضع SMCs (على سبيل المثال ، المقاومات ، المكثفات ، ICs) باستخدام آلات الاختيار والمكان (دقة ± 10μm).
2إعادة اللحام: يتم تسخين PCB في فرن إعادة اللحام (درجة الحرارة القصوى: 260 درجة مئوية لللحام الخالي من الرصاص) لإذابة معجون اللحام ومكونات الارتباط.
3غسل: يزيل التنظيف المائي بقايا التدفق، والتي يمكن أن تسبب التآكل.
4الاختبار الوظيفي: يتم اختبار PCB لمواصلة الكهرباء ، والمعوقة (± 1Ω لتصميمات 50Ω) ، وسلامة الإشارة (باستخدام VNA للوحات عالية التردد).
5اختبار البيئة: لتطبيقات عالية الموثوقية ، تخضع PCBs للدورة الحرارية (-40 درجة مئوية إلى + 150 درجة مئوية ، 1000 دورة) واختبار الاهتزاز (10 ‰ 2000 هرتز ، تسارع 10G) لضمان المتانة.

مراقبة الجودة: منع العيوب في PCBs MLC
تستخدم أقراص MLC PCB في التطبيقات الحرجة للسلامة (على سبيل المثال، EV BMS، رادار الفضاء الجوي) ، لذلك يتم تضمين مراقبة الجودة (QC) في كل خطوة من خطوات التصنيع. وفيما يلي كيفية اكتشاف العيوب ومنعها.

1المواد الخام: اكتشاف المشاكل مبكراً
a. نقاء المسحوق: تحليل XRF يضمن أن الشوائب < 0.1% ‬ حتى كميات صغيرة من الحديد يمكن أن تقلل من الموصلات الحرارية.
(ب) اتساق المربع: يُحقق من تكوين المربع بواسطة الطيف تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) لمنع مشكلات تقلص الصبغ.
c.وحدة الورق: يقوم جهاز تحليل ليزر بالتحقق من سمك الورق السيراميكي (± 2μm) وخامة السطح (Ra < 0.5μm) لتجنب الثغرات في التصفيف.

2مراقبة الجودة أثناء الإنتاج: إيقاف العيوب في منتصف الإنتاج
a.مواءمة الطبقة: أنظمة المواءمة البصرية (دقة ± 5μm) تحقق من الطبقات المتراكمة ◄ سوء المواءمة > 10μm يؤدي إلى إعادة العمل.
b.الجودة عبر: التفتيش بالأشعة السينية (دقة 20μm) يتحقق من خلال ملء الفراغات التي يتم رفضها > 10% من الحجم عبر.
c. كثافة التجفيف: يقيّم مبدأ آرخميدس كثافة السيراميك ٪ < 95 من القيمة النظرية تشير إلى عدم اكتمال التجفيف.

3الـ QC النهائي: التحقق من صحة الأداء من نهاية إلى نهاية
a.اختبار الكهربائي: يختبر اختبار المكشوفات الطائرة لفتح / قصير (100٪ تغطية) واستقرار المعوقة (± 1Ω).
اختبار حراري: يقوم تحليل فلاش الليزر بقياس الموصلات الحرارية، وتشير القيم < 90% من المواصفات إلى العيوب.
c.اختبار ميكانيكي: اختبارات قوة الانحناء (حسب ASTM C1161) تضمن أن الـ PCB يمكن أن تتحمل التعامل مع المقاومة < 300 MPa للامينا.
d. اختبار الموثوقية: اختبار الحياة المتسارعة (ALT) يحاكي 10 سنوات من الاستخدام (على سبيل المثال ، 1000 دورة حرارية) للتنبؤ بالأداء على المدى الطويل.

نقطة البيانات: تقلل مراقبة الجودة الصارمة من معدلات عيوب MLC PCB إلى <0.1٪ للتطبيقات الجوية الفضائية ‬حاسمة لتجنب الفشل المكلف في الميدان.

تطبيقات MLC PCB واتجاهات المستقبل
تعتبر أقراص MLC PCB لا غنى عنها في الصناعات التي لا يمكن التفاوض فيها على الأداء والموثوقية ومقاومة درجات الحرارة. فيما يلي حالات استخدامها الرئيسية والاتجاهات الناشئة.

التطبيقات الرئيسية حسب الصناعة

الاتجاهات المستقبلية التي تشكل PCBs MLC
1التصغير و الكثافة العالية:الطلب على أجهزة إنترنت الأشياء الأصغر ووحدات الجيل الخامس يقود الـ MLC PCBs مع 20 + طبقة وميكروفيا < 50μm ◄ تمكينها من خلال الحفر بالليزر المتقدم والصفائح السيراميكية الرقيقة (50μm).
2التصنيع الأخضر: التخمير منخفض الطاقة (باستخدام أفران الميكروويف بدلاً من الأفران التقليدية) يقلل من استهلاك الطاقة بنسبة 40٪.
3مواد السيراميك الجديدة: السيراميكات الكربيد السيليكونية (SiC) ونيتريد البور (BN) تظهر. يقدم SiC توصيلًا حراريًا بنسبة 300 W / mK (أفضل من AlN) للسيارات الكهربائية فائقة الطاقة.
4المكونات المدمجة: يتم تضمين المكونات السلبية (المقاومات، المكثفات) داخل طبقات السيراميك لتوفير المساحة، وهي مثالية للأجهزة القابلة للارتداء والأجهزة الطبية المصغرة.

أسئلة شائعة حول PCBs MLC
1لماذا هي MLC PCB أكثر تكلفة من FR4 PCBs؟
تكلفة MLC PCBs 5 ٪ 10 أضعاف أكثر من FR4 بسبب:
a.المواد المتخصصة (الألومينا/AlN تكلف 10 أضعاف أكثر من FR4).
ب. التصنيع الدقيق (حفر بالليزر، التخمير تحت الفراغ).
ج. مراقبة جودة صارمة (أشعة سينية، اختبار حراري).
ومع ذلك ، فإن عمرها الطويل (10x مقابل FR4) وتكاليف الصيانة المنخفضة تجعلها فعالة من حيث التكلفة لتطبيقات عالية الموثوقية.

2هل يمكن تخصيص MLC PCBs لتطبيقات محددة؟
نعم، خيارات التخصيص تشمل:
a. اختيار المواد (الألومينا للتكلفة ، AlN للحرارة العالية).
ب. عدد الطبقات (420 طبقة).
c.حجم الوسيلة (50 500μm).
d. التشطيب السطحي (ENIG للطيران والفضاء ، فضة الغمر للسيارات).
إدراج المكونات (للتصغير).

3ما هو الوقت النموذجي لـ MLC PCBs؟
تتفاوت أوقات التنفيذ حسب التعقيد:
a. النماذج الأولية (1 ′′10 وحدات): 2 ′′4 أسابيع (بما في ذلك الصب والاختبار).
ب.لقطات صغيرة (100500 وحدة): 4-6 أسابيع.
c.فئات كبيرة (أكثر من 1000 وحدة): 6-8 أسابيع.
أوقات التوصيل أطول من FR4 (أسبوعين) بسبب عملية التخمير ، والتي تستغرق يومين.

الاستنتاج: الـ MLC PCBs هي العمود الفقري للجيل القادم من الإلكترونيات
لا تعتبر أقراص PCB السيراميكية متعددة الطبقات فقط بديلاً عالياً للأداء عن أقراص PCB التقليدية فهي ضرورية لأكثر التطبيقات الإلكترونية تطلباً.مزيجهم الفريد من الموصلات الحرارية، مقاومة درجة الحرارة، وسلامة الإشارة تمكن الابتكارات في السيارات الكهربائية، 5G، الفضاء، والأجهزة الطبية التي كانت مستحيلة في وقت سابق.

تتطلب عملية تصنيع أقراص الـ MLC PCBs من إعداد المواد وتراكم الطبقات إلى التخمير و QC دقة ومعدات متخصصة وتركيز على الجودة.من فحص نقاء المسحوق إلى اختبارات الدورة الحرارية، مصممة لضمان الموثوقية في البيئات الحرجة للسلامة.

مع تطور صناعة الإلكترونيات نحو طاقة أعلى، وتردد أعلى، وعوامل شكل أصغر، سيلعب الـ MLC PCBs دورًا أكبر.والمواد السيرامية الجديدة سوف توسع استخدامها في إنترنت الأشياء، والأجهزة القابلة للارتداء والسيارات الكهربائية ذات الطاقة العالية.

بالنسبة للمهندسين والمشترين، فهم تصنيع MLC PCB هو مفتاح اختيار التكنولوجيا المناسبة لمشاريعهم. من خلال إعطاء الأولوية لاختيار المواد، ومراقبة العمليات، واختبار الجودة،يمكنك الاستفادة من الـ MLC PCBs لبناء إلكترونيات أكثر أماناً، أكثر موثوقية، وأكثر ملاءمة لمطالب العالم الحديث. مستقبل الإلكترونيات عالية الأداء هو السيراميك