Gói gốm là gì?

Một gói gốm — đôi khi được gọi là vỏ gốm hoặc vỏ bọc gốm — là một vỏ bảo vệ được làm từ vật liệu gốm tiên tiến. Nó bảo vệ các linh kiện bán dẫn và vi điện tử nhạy cảm khỏi nhiệt, độ ẩm và hư hỏng vật lý. Bên trong vỏ này, chip được giữ an toàn và kết nối điện với các mạch bên ngoài, duy trì sự ổn định ngay cả trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

So với vỏ nhựa hoặc epoxy, gói gốm nổi bật với độ bền và khả năng chịu nhiệt tuyệt vời. Đó là lý do tại sao nó là lựa chọn hàng đầu cho các ngành công nghiệp cao cấp như hàng không vũ trụ, quốc phòng, y tế, ô tô và các lĩnh vực viễn thông. Khi các thiết bị tiếp tục thu nhỏ kích thước nhưng mở rộng hiệu suất, nhu cầu về bao bì có thể chịu được nhiệt độ và áp suất cao trở nên cần thiết hơn bao giờ hết — và vật liệu gốm đáp ứng hoàn hảo thách thức đó.

Nguyên liệu thô được sử dụng trong gói gốm

Độ tin cậy của một gói gốm bắt đầu từ nền tảng của nó — nguyên liệu thô. Mỗi vật liệu đóng góp các tính chất cơ học, điện và nhiệt độc đáo quyết định mức độ hoạt động của gói cuối cùng.

Alumina (Al₂O₃) là loại gốm cơ bản được sử dụng rộng rãi nhất. Nó cung cấp cách điện tuyệt vời, độ bền cơ học và độ dẫn nhiệt vừa phải, khiến nó trở thành vật liệu ưa thích cho hầu hết các vỏ gốm tiêu chuẩn. Sự cân bằng giữa hiệu suất và hiệu quả chi phí của nó khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến trong các ngành công nghiệp.

Đối với các ứng dụng tiên tiến hơn yêu cầu truyền nhiệt vượt trội, beryllium oxide (BeO) và aluminum nitride (AlN) được áp dụng. BeO cung cấp khả năng kiểm soát nhiệt tuyệt vời nhưng phải được xử lý cẩn thận do tính chất độc hại của nó ở dạng bột. Trong khi đó, AlN cung cấp độ dẫn nhiệt cao với cách điện hoàn toàn, lý tưởng cho các gói bán dẫn tần số cao hoặc công suất.

Để hoàn thiện cấu trúc, thủy tinh frits được giới thiệu để tạo ra các con dấu kín khí trong quá trình nung. Những con dấu này ngăn chặn sự xâm nhập của độ ẩm và hư hỏng cơ học. Đối với các kết nối điện, các vật liệu mạ như tungsten (W), molybdenum (Mo) hoặc platinum (Pt) được in trên bề mặt gốm. Sự giãn nở nhiệt của chúng phù hợp chặt chẽ với thân gốm, giảm thiểu căng thẳng và ngăn ngừa nứt vỡ trong quá trình chu kỳ nhiệt.

Các đặc điểm chính của gói gốm

• Độ kín khí cao: Con dấu kín giữ độ ẩm, bụi và khí cách xa các chip nhạy cảm.
• Khả năng dẫn nhiệt tuyệt vời: Tản nhiệt nhanh chóng giữ cho các thiết bị hoạt động an toàn ở nhiệt độ cao.
• Độ bền cơ học vượt trội: Chống nứt vi mô, rung động và sốc cơ học.
• Cách điện tuyệt vời: Ngăn chặn nhiễu tín hiệu và rò rỉ ngay cả trong các thiết kế mạch dày đặc.
• Tương thích giãn nở nhiệt: Tỷ lệ giãn nở của gốm phù hợp chặt chẽ với silicon, giảm thiểu căng thẳng giữa chip và gói.
• Độ thấm ẩm thấp: Cần thiết cho độ tin cậy lâu dài, đặc biệt trong các ứng dụng không gian hoặc y tế.
• Thiết kế cấu trúc linh hoạt: Có khả năng hỗ trợ các cấu trúc dây phức tạp, đa chiều hỗ trợ tích hợp mạch tiên tiến.

Các loại gói gốm

Gói gốm bao gồm nhiều cấu hình khác nhau được thiết kế cho các yêu cầu mạch và mức hiệu suất khác nhau. Các loại phổ biến nhất bao gồm:

1. Gói đôi gốm (CERDIP)

Một trong những thiết kế gốm đầu tiên, CERDIP có hai hàng chân kim loại kéo dài từ một thân gốm hình chữ nhật. Bên trong, chip được niêm phong bằng nắp kính hoặc kim loại để bảo vệ. Mặc dù ít phổ biến hơn ngày nay, CERDIP vẫn được ưa chuộng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và quốc phòng nơi không thể xảy ra lỗi.

2. Gói IC gốm

Danh mục rộng này bao gồm bất kỳ vỏ bọc dựa trên gốm nào cho các mạch tích hợp. Các gói IC gốm có nhiều hình dạng và giao diện khác nhau, bao gồm flatpacks, pin grid arrays (PGA), và ball grid arrays (BGA). Chúng được đánh giá cao trong các thiết bị điện tử tốc độ cao và tần số cao do tổn thất tín hiệu tối thiểu và hằng số điện môi thấp.

3. Gói LTCC (Gốm đồng nung nhiệt độ thấp)

Công nghệ LTCC xây dựng các mạch đa lớp bằng cách xếp chồng và đồng nung các băng gốm ở khoảng 850°C. Các mẫu dẫn điện được in giữa các lớp và các thành phần thụ động như điện trở hoặc tụ điện có thể được nhúng trực tiếp bên trong. Các gói LTCC nhỏ gọn, nhẹ và lý tưởng cho các mô-đun RF, hệ thống không dây, và truyền thông vệ tinh.

4. Gói HTCC (Gốm đồng nung nhiệt độ cao)

Quy trình HTCC liên quan đến việc nung ở nhiệt độ cao hơn — khoảng 1600°C — sử dụng các vật liệu như tungsten hoặc molybdenum. Các gói này cực kỳ bền và phù hợp cho các mô-đun công suất, hệ thống điều khiển EV, và điện tử quân sự nơi cả độ bền cơ học và nhiệt đều quan trọng.

Các hình dạng và cấu trúc phổ biến khác bao gồm:

• Mạng lưới chân gốm (CPGA)
• Gói phẳng gốm bốn góc (CQFP)
• Mạng lưới đất gốm (CLGA)
• Gói phẳng gốm (CFP)
• Gói đôi gốm (CDIP)
• Mô-đun đa chip (MCM / MMIC)
• Gói phẳng gốm bốn góc không chân (CQFN)
• Vỏ bướm cho các ứng dụng quang học

Mỗi cấu trúc này cung cấp các lợi thế cụ thể tùy thuộc vào độ phức tạp của thiết kế, yêu cầu công suất và môi trường hoạt động dự kiến.

Gói gốm LTCC vs. HTCC

Mặc dù cả LTCC và HTCC đều liên quan đến việc đồng nung các lớp gốm, sự khác biệt của chúng xác định các ứng dụng lý tưởng của chúng:

Đặc điểm	LTCC	HTCC
Nhiệt độ nung	<1000°C	>1600°C
Kim loại sử dụng	Vàng, bạc	Tungsten, molybdenum
Mật độ mạch	Cao; hỗ trợ các thành phần thụ động nhúng	Đơn giản hơn; thiết kế cho các mô-đun lớn, bền
Ứng dụng	Viễn thông, cảm biến, mô-đun RF	Điện tử công suất, hàng không vũ trụ, quốc phòng
Chi phí	Cao hơn một chút do vàng và các phần nhúng	Thấp hơn cho các thiết kế đơn giản hơn, nhưng cao hơn cho các mô-đun lớn, bền

LTCC vượt trội trong các thiết kế nhỏ gọn, tần số cao. HTCC tốt hơn cho các ứng dụng cơ học bền và công suất cao.

Quy trình sản xuất gói gốm

Việc sản xuất một gói gốm là một quy trình chính xác và nhiều bước. Mỗi giai đoạn đóng góp vào độ tin cậy, hiệu suất nhiệt và độ bền cơ học của gói. Sản xuất hiện đại dựa vào kiểm soát nghiêm ngặt về vật liệu, nhiệt độ và căn chỉnh để sản xuất các gói LTCC và HTCC chất lượng cao. Dưới đây là cái nhìn chi tiết về quy trình:

1. Đúc băng

Quá trình bắt đầu với việc đúc băng gốm, tạo thành nền tảng của gói. Các bột gốm mịn như alumina (Al₂O₃), aluminum nitride (AlN), hoặc beryllium oxide (BeO) được trộn với chất kết dính và dung môi để tạo thành một hỗn hợp lỏng.

• Hỗn hợp này được trải thành các tấm mỏng, đồng đều trên bề mặt phẳng bằng lưỡi đúc hoặc máy đúc băng tự động.
• Sau khi khô, các tấm này đủ linh hoạt để xử lý nhưng vẫn giữ đủ độ bền để hỗ trợ các bước xử lý sau.
• Độ dày của băng được kiểm soát cẩn thận, vì nó quyết định chiều cao cuối cùng của gói và độ chính xác của lớp.

Các tấm này, thường được gọi là băng xanh, sẽ tạo thành cấu trúc đa lớp của gói gốm sau này.

2. Khoan lỗ (Hình thành vias)

Khi các băng xanh đã sẵn sàng, các lỗ nhỏ được gọi là vias được tạo ra để cho phép kết nối điện dọc giữa các lớp:

• Khoan được thực hiện bằng cách sử dụng khoan cơ học cho các vias lớn hơn hoặc khoan laser cho các microvias.
• Đường kính, vị trí và căn chỉnh của các vias là rất quan trọng vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất điện và độ tin cậy.
• Sau khi khoan, các vias được làm sạch để loại bỏ mảnh vụn và đảm bảo việc lấp đầy đúng cách trong bước tiếp theo.

3. Lấp đầy vias

Các vias đã khoan được lấp đầy bằng một loại bột dẫn điện, thường được làm từ các vật liệu dựa trên tungsten, molybdenum hoặc vàng tùy thuộc vào nhiệt độ nung và yêu cầu ứng dụng.

• Bột này sẽ tạo thành các đường dẫn điện bên trong trong quá trình đồng nung.
• Việc lấp đầy đúng cách đảm bảo độ dẫn điện nhất quán và ngăn chặn các khoảng trống, có thể làm giảm hiệu suất của gói.
• Trong LTCC, bột bạc hoặc vàng thường được sử dụng; trong HTCC, tungsten hoặc molybdenum được ưa chuộng do nhiệt độ nung cao hơn.

4. In mẫu mạch

Tiếp theo, bề mặt của mỗi lớp gốm được in với các mẫu mạch bằng cách sử dụng in lưới hoặc các kỹ thuật lắng đọng chính xác khác:

• Các đường dẫn dẫn điện, miếng đệm và mặt phẳng đất được áp dụng ở giai đoạn này.
• Bước này cũng cho phép tích hợp các thành phần thụ động trong các gói LTCC, chẳng hạn như tụ điện hoặc điện trở.
• Căn chỉnh đúng cách là rất quan trọng để tránh kết nối sai khi các lớp được xếp chồng.

5. Ép dính

Các lớp gốm đã chuẩn bị được xếp chồng theo thứ tự chính xác để tạo thành một khối đa lớp và sau đó được ép dính dưới nhiệt và áp suất:

• Ép dính đảm bảo rằng tất cả các lớp kết dính chặt chẽ và duy trì căn chỉnh chính xác.
• Cài đặt nhiệt độ và áp suất được tối ưu hóa dựa trên loại vật liệu gốm.
• Bước này tạo thành một cấu trúc cứng, thống nhất sẵn sàng cho việc nung.

6. Cắt laser / Định hình trước khi nung

Trước khi nung, khối ép dính thường được cắt bằng laser để xác định đường viền gói và bất kỳ khe hở hoặc lỗ mở nào:

• Cắt laser cung cấp các cạnh và hình dạng chính xác, sạch sẽ.
• Trong các gói có chức năng quang học hoặc cảm biến, các cửa sổ hoặc khẩu độ cũng được tạo ra ở giai đoạn này.

7. Đồng nung

Khối xếp chồng và ép dính trải qua quá trình đồng nung trong lò nhiệt độ cao để thiêu kết các lớp gốm và làm cứng các đường dẫn dẫn điện:

• Nung HTCC: Khoảng 1600°C sử dụng bột gốm thô và kim loại chịu lửa (tungsten/molybdenum).
• Nung LTCC: Khoảng 850°C sử dụng băng gốm mịn và kim loại có điện trở thấp (bạc/vàng).
• Đồng nung biến đổi băng xanh thành một thân gốm đặc, cứng trong khi tích hợp các đường dẫn dẫn điện thành một cấu trúc đáng tin cậy, duy nhất.

8. Mạ bề mặt (Mạ niken)

Sau khi nung, các miếng đệm kim loại và vias lộ ra được mạ niken. Niken đóng vai trò như một lớp chắn để ngăn chặn oxy hóa và cải thiện khả năng hàn. Bước này rất quan trọng cho độ tin cậy lâu dài của các kết nối điện, đặc biệt trong môi trường khắc nghiệt.

9. Hàn braze

Bất kỳ bộ phận kim loại nào, chẳng hạn như nắp, khung dẫn hoặc cấu trúc hỗ trợ, được gắn bằng cách sử dụng hàn braze. Các hợp kim nhiệt độ cao tạo ra một con dấu kín khí mạnh giữa kim loại và gốm.

10. Mạ Ni/Au

Để cải thiện khả năng hàn và khả năng chống ăn mòn, các khu vực kết nối được mạ một lớp vàng mỏng trên niken:

• Mạ Ni/Au là lý tưởng cho việc kết nối dây hoặc gắn chip lật.
• Vàng đảm bảo sự ổn định điện lâu dài và ngăn chặn oxy hóa trong quá trình sử dụng.

11. Hàn cửa sổ ánh sáng (Tùy chọn)

Đối với các gói yêu cầu truy cập quang học, chẳng hạn như cảm biến hoặc đèn LED, một cửa sổ trong suốt được thêm vào. Cửa sổ được hàn hoặc gắn chính xác để đảm bảo độ trong suốt quang học và niêm phong kín khí. Thường thấy trong các gói LTCC cho các ứng dụng RF, quang học hoặc cảm biến.

12. Kiểm tra và thử nghiệm cuối cùng

Mỗi gói gốm trải qua kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt:

• Kiểm tra kích thước đảm bảo căn chỉnh và kích thước chính xác.
• Các thử nghiệm điện xác minh tính liên tục, cách điện và tính toàn vẹn tín hiệu.
• Các thử nghiệm căng thẳng nhiệt và cơ học mô phỏng các điều kiện thực tế.

Quy trình sản xuất gói gốm rất chi tiết và yêu cầu độ chính xác ở mọi giai đoạn — từ lựa chọn nguyên liệu thô đến thử nghiệm cuối cùng. Mỗi bước đóng góp vào độ tin cậy, hiệu suất nhiệt và độ bền cơ học của gói, đó là lý do tại sao các gói gốm được ưa chuộng trong hàng không vũ trụ, quốc phòng, y tế, ô tô và điện tử hiệu suất cao.

Tại Best Technology, chúng tôi kết hợp các quy trình LTCC và HTCC tiên tiến với kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt và khả năng tùy chỉnh để cung cấp các gói gốm đáp ứng ngay cả những yêu cầu khắt khe nhất.

Ứng dụng của gói gốm

Gói gốm được sử dụng trong các lĩnh vực mà không thể xảy ra lỗi:

• Hàng không vũ trụ & Vệ tinh: Các mô-đun công suất, hệ thống dẫn đường, điện tử radar
• Thiết bị quân sự: Truyền thông an toàn, radar, hướng dẫn tên lửa
• Thiết bị y tế: Máy tạo nhịp tim, cảm biến, thiết bị chẩn đoán
• Viễn thông: Mô-đun LTCC cho 5G, ăng-ten, bộ khuếch đại
• Điện tử ô tô: Gói HTCC trong xe điện, hệ thống hybrid và giám sát pin
• Tự động hóa công nghiệp: Cảm biến, bộ truyền động, bộ điều khiển động cơ

Gói gốm so với PCB gốm

Vì cả hai đều sử dụng vật liệu gốm, gói gốm thường bị nhầm lẫn với PCB gốm, nhưng chúng phục vụ các vai trò hoàn toàn khác nhau trong một hệ thống điện tử.

Khía cạnh	Gói gốm	PCB gốm
Định nghĩa	Một vỏ kín bảo vệ và chứa chip bán dẫn.	Một bảng mạch in dựa trên gốm hỗ trợ và kết nối nhiều thành phần.
Chức năng chính	Bảo vệ chip và cung cấp kết nối điện bên ngoài.	Cung cấp đường dẫn điện giữa nhiều thiết bị.
Cấu trúc	Hoàn toàn kín và được niêm phong kín.	Bảng bề mặt mở với các mạch in hoặc chôn.
Hiệu suất nhiệt	Khả năng chịu nhiệt cao và tản nhiệt vừa phải.	Độ dẫn nhiệt rất cao (đặc biệt là AlN).
Bảo vệ độ ẩm	Hoàn toàn kín chống ẩm và khí.	Không kín; lớp phủ bề mặt có thể cung cấp bảo vệ một phần.
Kích thước và thiết kế	Nhỏ gọn, vỏ cấp chip.	Bảng lớn hơn chứa nhiều phần tử chủ động và thụ động.
Phương pháp lắp ráp	Liên kết dây, hàn hoặc gắn chip lật.	Hàn SMT hoặc xuyên lỗ.
Mức chi phí	Thường cao hơn do độ phức tạp và độ chính xác.	Thấp đến trung bình, tùy thuộc vào lớp và vật liệu.

Tại sao chọn Best Technology cho giải pháp gói gốm?

Tại Best Technology, chúng tôi chuyên về gói gốm tùy chỉnh đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và môi trường khắt khe nhất. Từ ý tưởng đến sản xuất, đội ngũ kỹ sư của chúng tôi cung cấp hỗ trợ toàn diện trong việc lựa chọn vật liệu, thiết kế cấu trúc và phát triển nguyên mẫu.

Chúng tôi có khả năng sản xuất cả gói gốm LTCC và HTCC, cùng với các giải pháp lai tùy chỉnh cho ứng dụng cụ thể của bạn. Hệ thống sản xuất tiên tiến và kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt của chúng tôi đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy trong mọi sản phẩm chúng tôi cung cấp.

Những gì chúng tôi cung cấp:

• Chuyên môn trong thiết kế, tùy chỉnh và lắp ráp gói IC gốm.
• Truy cập vào các vật liệu cao cấp như Al₂O₃, BeO và AlN.
• Khối lượng sản xuất linh hoạt – từ nguyên mẫu đến sản xuất hàng loạt.
• Khả năng hoàn thiện mạ Ni/Au, hàn và niêm phong kín.
• Cơ sở được chứng nhận ISO9001, ISO13485, IATF16949 và AS9100D cho các ngành hàng không vũ trụ, ô tô và y tế.
• Khả năng truy xuất nguồn gốc MES đầy đủ và hỗ trợ khách hàng toàn cầu.

Khi bạn cần gói có khả năng ổn định, chịu nhiệt và xuất sắc về điện, bạn có thể tin tưởng vào Best Technology. Chúng tôi giúp biến ý tưởng sáng tạo thành giải pháp bền vững, thực tế – được xây dựng để tồn tại trong những môi trường khắt khe nhất.