Lắp ráp PCB gốm

Bảng mạch in gốm không còn là các chất nền ngách chỉ dành riêng cho các chương trình hàng không vũ trụ hoặc quân sự. Khi mật độ công suất tăng, biên nhiệt giảm và kỳ vọng về độ tin cậy thắt chặt, lắp ráp PCB gốm đã trở thành một giải pháp thiết thực và thường cần thiết cho các hệ thống điện tử đòi hỏi khắt khe. Do đó, việc lựa chọn nhà sản xuất PCB gốm phù hợp là một quyết định chiến lược, không phải là một chi tiết tìm nguồn cung ứng.

Hướng dẫn này giải thích PCB gốm là gì, chúng khác với các vật liệu thông thường như thế nào, chúng được sử dụng ở đâu và những gì cần mong đợi từ một nhà sản xuất lắp ráp PCB gốm đủ tiêu chuẩn tại Trung Quốc.

PCB Gốm là gì?

PCB gốm là bảng mạch in sử dụng vật liệu gốm vô cơ làm chất nền cơ bản thay vì các lớp laminate hữu cơ như FR-4. Các chất nền gốm thông thường bao gồm alumina (Al₂O₃), nhôm nitride (AlN) và beryllium oxide (BeO).

Không giống như các lớp laminate sợi thủy tinh, các chất nền gốm cung cấp khả năng dẫn nhiệt đặc biệt, độ bền điện môi cao và sự ổn định cơ học trên phạm vi nhiệt độ rộng. Những đặc tính này làm cho PCB gốm đặc biệt phù hợp cho các thiết bị điện tử công suất cao, tần số cao và môi trường khắc nghiệt.

Từ góc độ lắp ráp, PCB gốm có hành vi rất khác so với các bảng tiêu chuẩn. Chúng phân tán nhiệt nhanh chóng, duy trì ổn định kích thước trong quá trình tái chảy và hỗ trợ nhiệt độ hoạt động cao hơn mà không bị suy giảm.

Đặc điểm của PCB Gốm

PCB gốm được lựa chọn không phải vì tiện lợi, mà vì những ưu điểm về hiệu suất mà vật liệu hữu cơ không thể mang lại.

Các đặc điểm chính bao gồm:

Khả năng dẫn nhiệt cao để phân tán nhiệt hiệu quả
Độ bền điện môi tuyệt vời và tổn thất điện môi thấp
Khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao
Sự không phù hợp giãn nở nhiệt tối thiểu với các thiết bị bán dẫn
Khả năng chống hóa chất và độ ẩm mạnh
Độ tin cậy lâu dài dưới chu kỳ nhiệt

Những đặc điểm này trực tiếp chuyển thành sự ổn định điện cải thiện, giảm nguy cơ hỏng hóc và kéo dài tuổi thọ sản phẩm trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.

Ứng dụng của PCB Gốm

PCB gốm được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực mà nhiệt, công suất và độ tin cậy chi phối các ràng buộc thiết kế.

Các ứng dụng điển hình bao gồm:

Mô-đun chiếu sáng LED công suất cao
Bộ chuyển đổi và biến tần công suất
Điện tử công suất ô tô và hệ thống EV
Thiết bị truyền thông RF và vi sóng
Thiết bị chẩn đoán và hình ảnh y tế
Điện tử hàng không vũ trụ và quốc phòng
Bộ điều khiển động cơ và trình điều khiển laser công nghiệp

Trong các ứng dụng này, đế gốm thường thay thế PCB lõi kim loại hoặc FR-4 đồng dày khi giới hạn nhiệt bị vượt quá.

PCB gốm so với FR-4: Những điểm khác biệt là gì?

PCB gốm và bảng FR-4 phục vụ các mục tiêu thiết kế rất khác nhau.

FR-4 được tối ưu hóa cho chi phí, khả năng sản xuất và điện tử đa dụng. PCB gốm được tối ưu hóa cho hiệu suất, sự ổn định và quản lý nhiệt.

Về mặt thực tế:

PCB gốm phân tán nhiệt hiệu quả hơn nhiều so với FR-4
Các chất nền gốm vẫn ổn định ở nhiệt độ mà FR-4 sẽ bị suy giảm
Các đặc tính điện môi của gốm nhất quán hơn ở tần số cao
FR-4 cung cấp chi phí vật liệu và xử lý thấp hơn cho các thiết kế tiêu chuẩn

Sự lựa chọn hiếm khi là thay thế FR-4 một cách toàn diện, mà là chọn PCB gốm khi FR-4 trở thành một hạn chế kỹ thuật.

Tại sao sử dụng PCB Gốm thay vì các PCB khác?

Các nhóm thiết kế chọn PCB gốm khi các chất nền thông thường đưa ra những rủi ro không thể chấp nhận được.

Các yếu tố thúc đẩy phổ biến bao gồm:

Nhiệt độ mối nối quá cao trong các thiết bị công suất
Sự không ổn định tín hiệu ở tần số cao
Cong vênh hoặc phân lớp dưới áp lực nhiệt
Yêu cầu độ tin cậy lâu dài
Thiết kế nhỏ gọn với các tùy chọn làm mát hạn chế

Trong nhiều trường hợp, chuyển sang PCB gốm đơn giản hóa thiết kế nhiệt, giảm nhu cầu về tản nhiệt bên ngoài và cải thiện độ bền tổng thể của hệ thống.

Best Technology – Đối tác Lắp ráp PCB Gốm Đáng tin cậy của bạn tại Trung Quốc

Từ các nguyên mẫu PCB gốm nhanh đến sản xuất số lượng ổn định, Best Technology cung cấp các dịch vụ lắp ráp PCB gốm từ đầu đến cuối được điều chỉnh theo quy mô dự án và yêu cầu kỹ thuật của bạn. Mô hình sản xuất tích hợp của chúng tôi đảm bảo chất lượng nhất quán, thời gian dẫn được kiểm soát và trách nhiệm kỹ thuật rõ ràng ở mọi giai đoạn.

Dịch vụ lắp ráp PCB gốm của chúng tôi bao gồm:

Lắp ráp SMT
Lắp ráp trọn gói (dịch vụ đầy đủ)
Lắp ráp BGA và QFN
Lập trình IC
Lắp ráp xuyên lỗ
Lắp ráp SMT & THT hỗn hợp
Lắp ráp chân cắm và đầu nối
Lắp ráp bảng mạch gốm
Hỗ trợ đóng gói linh kiện (Cuộn, Cắt băng, Ống, Khay, Phần rời)

Chúng tôi tìm nguồn và mua linh kiện từ các nhà sản xuất chip trên toàn thế giới, bao gồm Mouser, Digi-Key, Arrow Electronics và các nhà cung cấp khác. Ngoài ra, chúng tôi duy trì một kho hàng lớn các bộ phận thường được sử dụng trong kho của chúng tôi. Khi một linh kiện cụ thể không có sẵn, các kỹ sư của chúng tôi sẽ đưa ra các đề xuất cho các lựa chọn thay thế phù hợp với giá cả hợp lý.

Khả năng của chúng tôi cho Lắp ráp PCB Gốm

Một đối tác lắp ráp PCB gốm đủ tiêu chuẩn phải giải quyết cả hành vi vật liệu và độ chính xác lắp ráp.

Các khả năng cốt lõi nên bao gồm:

Chuyên môn về các chất nền gốm alumina, AlN và DBC
Kích thước chất nền: L5050MM~L510360MM
Thông số kỹ thuật chip: Gói 01005 và các bộ phận lớn hơn
Khoảng cách BGA: >=0.15mm với kiểm tra 3D AOI và X-ray 100%
Độ chính xác lắp đặt: 0.05mm
Tốc độ lắp ráp: 0.04s/điểm

Lựa chọn kem hàn được kiểm soát cho hành vi làm ướt gốm
Hồ sơ tái chảy được tối ưu hóa cho các bảng dẫn nhiệt cao
Lắp ráp SMT mịn và thiết bị công suất
Kiểm tra AOI, X-ray và kiểm tra điện
Kinh nghiệm với các chất nền có hệ số giãn nở nhiệt thấp và thiết kế đồng dày

Cũng quan trọng không kém là hỗ trợ kỹ thuật hiểu rõ các hạn chế thiết kế PCB gốm và có thể cung cấp phản hồi DFM và DFA sớm.

Quy trình Lắp ráp PCB Gốm – Hướng dẫn Chi tiết

Một quy trình lắp ráp PCB gốm thành công không chỉ là đặt các linh kiện; nó là quản lý luồng nhiệt, hành vi làm ướt hàn và căng thẳng cơ học với độ chính xác.

Dưới đây là giải thích từng bước của quy trình lắp ráp PCB gốm chuyên nghiệp.

1. Kiểm tra và Chuẩn bị Vật liệu Đầu vào

Quy trình bắt đầu với việc kiểm tra đầu vào nghiêm ngặt của các chất nền gốm và linh kiện.

Các điểm kiểm tra chính bao gồm:

Xác minh loại chất nền (Al₂O₃, AlN, DBC, v.v.)
Chất lượng mạ kim loại (độ dày đồng, độ bám dính, hoàn thiện bề mặt)
Kiểm tra độ phẳng và vi nứt
Độ chính xác kích thước và hình dạng pad

Các chất nền gốm cứng và giòn. Bất kỳ vi khuyết tật nào được giới thiệu trong quá trình chế tạo hoặc xử lý có thể lan rộng trong quá trình chu kỳ nhiệt. Vì lý do này, PCB gốm thường được xử lý bằng các đồ gá chuyên dụng và đóng gói chống sốc từ bước đầu tiên.

Chuẩn bị bề mặt cũng rất quan trọng. PCB gốm thường yêu cầu làm sạch plasma hoặc làm sạch hóa học để loại bỏ các chất gây ô nhiễm bề mặt và cải thiện khả năng hàn, đặc biệt là đối với thiết kế DBC và đồng dày.

2. Lựa chọn và In Kem Hàn

Lựa chọn kem hàn đóng vai trò quyết định trong thành công của lắp ráp PCB gốm.

Vì các chất nền gốm phân tán nhiệt nhanh chóng, hợp kim hàn phải cung cấp:

Hành vi làm ướt ổn định trên mạ kim loại gốm
Kiểm soát độ trượt tốt để ngăn ngừa cầu nối
Tương thích với nhiệt độ đỉnh tái chảy cao hơn

Trong nhiều lắp ráp PCB gốm, hợp kim hàn độ tin cậy cao hoặc kem bạc thường được chọn, đặc biệt là cho các thiết bị công suất và ứng dụng gắn chết.

Trong quá trình in kem hàn:

Độ dày stencil được khớp cẩn thận với độ dày đồng và thiết kế pad
Giảm khẩu độ thường được áp dụng để ngăn ngừa hàn dư thừa
Áp lực và tốc độ in được điều chỉnh để tránh hư hỏng pad

Do độ cứng của các chất nền gốm, độ chính xác căn chỉnh quan trọng hơn so với FR-4. Ngay cả sự lệch stencil nhỏ cũng có thể dẫn đến thiếu hàn hoặc mất cân bằng mối nối.

3. Đặt Linh kiện Chính xác Cao

Việc đặt linh kiện trên PCB gốm đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ hơn so với SMT thông thường.

Các cân nhắc chính bao gồm:

Kiểm soát lực đặt để tránh làm nứt chất nền
Căn giữa linh kiện chính xác để đảm bảo làm ướt hàn đồng đều
Xử lý đặc biệt cho các thiết bị công suất nặng và gói lớn

PCB gốm không tha thứ cho căng thẳng cơ học. Các máy pick-and-place tiên tiến với lực trục Z được kiểm soát và căn chỉnh bằng hình ảnh thường được sử dụng. Đối với PCB gốm DBC, các pad đồng dày và khối nhiệt lớn đòi hỏi độ chính xác đặt cực kỳ cao để duy trì sự đối xứng mối nối hàn.

4. Hàn Tái chảy với Hồ sơ Nhiệt được Tối ưu hóa

Hàn tái chảy là giai đoạn quan trọng nhất trong lắp ráp PCB gốm. Một hồ sơ tái chảy cụ thể cho gốm thường có:

Tốc độ tăng nhiệt chậm hơn để bảo vệ linh kiện
Khu vực ngâm kéo dài để ổn định gradient nhiệt độ
Nhiệt độ đỉnh cao hơn để đảm bảo làm ướt hàn hoàn toàn
Tốc độ làm mát được kiểm soát để giảm căng thẳng nhiệt

Đối với các chất nền nhôm nitride và DBC, tái chảy nitơ thường được sử dụng để cải thiện chất lượng mối nối hàn và giảm oxy hóa. Xác nhận hồ sơ thường được thực hiện bằng cách sử dụng các cặp nhiệt điện nhúng được đặt gần các linh kiện quan trọng và pad dòng cao.

5. Quy trình Đặc biệt cho Ứng dụng Công suất và Gắn chết

Nhiều lắp ráp PCB gốm liên quan đến các thiết bị bán dẫn công suất, chết trần hoặc pad nhiệt lớn.

Các quy trình bổ sung có thể bao gồm:

Liên kết bạc thiêu kết cho các thiết bị công suất cao
Hàn nhiệt độ cao cho các lắp ráp nhiều bước
Liên kết áp lực được kiểm soát cho gắn chết
Chu kỳ giảm căng thẳng sau tái chảy

Các bước này đòi hỏi thiết bị chuyên dụng và kỹ sư quy trình có kinh nghiệm, vì kiểm soát không đúng có thể dẫn đến rỗng, phân lớp hoặc hỏng hóc sớm dưới chu kỳ nhiệt.

6. Kiểm tra Quang học và X-Ray

Kiểm tra trên PCB gốm vượt ra ngoài AOI tiêu chuẩn.

AOI tập trung vào:

Hình dạng mối nối hàn và chất lượng làm ướt
Căn chỉnh linh kiện và cực tính
Khuyết tật bề mặt và cầu nối hàn

Kiểm tra X-ray đặc biệt quan trọng cho:

Các linh kiện kết thúc dưới
PCB gốm đồng dày và DBC
Các mô-đun công suất với pad nhiệt lớn

Phân tích X-ray giúp phát hiện các lỗ rỗng, thiếu hàn và các khuyết tật ẩn không thể xác định bằng mắt thường nhưng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt và điện.

7. Kiểm tra Điện và Xác minh Chức năng

Sau khi lắp ráp, PCB gốm trải qua kiểm tra điện và chức năng phù hợp với ứng dụng của chúng.

Kiểm tra có thể bao gồm:

Kiểm tra liên tục và cách ly
Kiểm tra chịu điện áp cao
Kiểm tra chức năng khi bật nguồn
Xác nhận hiệu suất nhiệt

Vì PCB gốm thường được sử dụng trong các hệ thống quan trọng, phạm vi kiểm tra thường cao hơn so với các lắp ráp tiêu chuẩn.

8. Làm sạch, Đóng gói và Kiểm soát Độ tin cậy Cuối cùng

Dư lượng thông lượng trên PCB gốm có thể làm suy giảm điện trở cách điện và độ tin cậy lâu dài.

Các bước cuối cùng thường bao gồm:

Làm sạch chính xác với dung môi đã được xác nhận
Kiểm tra ô nhiễm ion khi cần thiết
Kiểm tra trực quan dưới độ phóng đại
Đóng gói chống sốc để bảo vệ các chất nền giòn

Đối với các ứng dụng ô tô, y tế hoặc công nghiệp, các lắp ráp PCB gốm cũng có thể trải qua kiểm tra burn-in, chu kỳ nhiệt hoặc kiểm tra tuổi thọ tăng tốc.

Nếu dự án của bạn liên quan đến mật độ công suất cao, nhiệt độ hoạt động cao hoặc yêu cầu độ tin cậy lâu dài, lắp ráp PCB gốm có thể là giải pháp hiệu quả nhất.

Hợp tác với một nhà sản xuất lắp ráp PCB gốm có kinh nghiệm đảm bảo rằng các lợi thế vật liệu được chuyển thành hiệu suất thực tế, sự ổn định sản lượng và tuổi thọ sản phẩm.

Để được tư vấn kỹ thuật, xem xét thiết kế hoặc báo giá lắp ráp PCB gốm, hãy hợp tác với một nhà sản xuất hiểu cả khoa học vật liệu và kỷ luật lắp ráp đằng sau PCB gốm.