PCB Keramik Multilapis 2024: Panduan Manufaktur Lengkap – Material, Proses & Aplikasi Industri

Di era kekuatan tinggi,elektronik frekuensi tinggi dari stasiun dasar 5G ke powertrain kendaraan listrik (EV) dan sistem radar aerospace PCB keramik multilayer (PCB MLC) menonjol sebagai teknologi yang memungkinkan pentingTidak seperti PCB FR4 tradisional, yang berjuang dengan disipasi panas dan integritas sinyal pada suhu ekstrem, PCB MLC memanfaatkan substrat keramik (misalnya, alumina,aluminium nitrida) untuk memberikan konduktivitas termal yang superiorPasar PCB MLC global mencerminkan permintaan ini: diperkirakan akan tumbuh pada CAGR 9,91% sampai 2031, didorong oleh adopsi di otomotif, kedirgantaraan,dan sektor telekomunikasi.

Panduan ini memberikan rincian yang komprehensif tentang manufaktur PCB MLC, mulai dari pemilihan bahan dan produksi langkah demi langkah hingga kontrol kualitas dan aplikasi di dunia nyata.,wawasan yang dapat ditindaklanjuti, dan praktik terbaik industri, ini membekali insinyur, pembeli, dan desainer untuk memahami dan memanfaatkan teknologi berkinerja tinggi ini.

Hal-Hal Utama
a.Superioritas material mendorong kinerja: substrat keramik alumina (20 ∼30 W/mK) dan aluminium nitrida (170 ∼200 W/mK) lebih baik daripada FR4 (0,2 ∼0,3 W/mK) dalam konduktivitas termal,memungkinkan PCB MLC untuk menangani 350 °C + vs. FR4 ′s batas 130 °C.
b.Ketepatan manufaktur tidak dapat dinegosiasikan: PCB MLC membutuhkan 7 langkah kritis  persiapan substrat, penumpuk lapisan, melalui pengeboran, metallization, sintering, finishing,dan pengujian masing-masing menuntut toleransi yang ketat (± 5μm untuk keselarasan lapisan).
c.Kontrol kualitas mencegah kegagalan yang mahal: Pemeriksaan awal bahan (inspeksi SEM) dan pengujian dalam proses (AOI, kontinuitas listrik) mengurangi tingkat cacat menjadi <0.1% untuk aplikasi keandalan tinggi (e(misalnya, kedirgantaraan).
Aplikasi mencakup industri bertaruhan tinggi: PCB MLC sangat penting untuk radar otomotif (77 GHz), LED bertenaga tinggi (100.000+ jam umur), dan komunikasi militer (tahan cuaca buruk).
e. Pertumbuhan masa depan bergantung pada inovasi: Miniaturisasi (lapisan yang lebih padat) dan manufaktur hijau (sintering energi rendah) akan memperluas penggunaan MLC PCB dalam IoT dan EV.

Memahami PCB Keramik Multilayer (MLC PCB)
PCB MLC adalah papan sirkuit canggih yang dibangun dengan menumpuk dan mengikat beberapa lapisan keramik, masing-masing diukir dengan sirkuit konduktif (misalnya, tembaga, perak).Struktur unik mereka menggabungkan efisiensi termal keramik dengan kepadatan desain multilayer – mengisi kesenjangan yang ditinggalkan oleh PCB tradisional dalam elektronik berkinerja tinggi.

Apa yang Membuat PCB MLC Unik?
Tidak seperti PCB FR4 (serat kaca + epoksi) atau PCB keramik satu lapisan, PCB MLC menawarkan:
a. Konduktivitas termal yang lebih tinggi: Memindahkan panas 100×600 kali lebih cepat daripada FR4, mencegah component overheating.
b.Rentang suhu yang lebih luas: Bekerja dengan andal dari -200°C (aerospace) hingga 350°C (industri tungku).
c.Rugi dielektrik yang lebih rendah: Mempertahankan integritas sinyal pada frekuensi hingga 100 GHz (kritis untuk 5G mmWave).
Densitas kompak: Tumpuk 4 ∼20 lapisan keramik dengan microvias (50 ∼100 μm diameter) untuk memuat lebih banyak sirkuit di ruang kecil.

Keuntungan Utama menurut Industri
PCB MLC memecahkan masalah khusus industri yang tidak dapat diselesaikan oleh PCB tradisional.

Pilihan bahan untuk PCB MLC: Alumina vs Aluminium Nitride
Kinerja PCB MLC dimulai dengan pilihan bahan substrat. Dua keramik mendominasi pasar: alumina (Al2O3) dan aluminium nitrida (AlN).Masing-masing memiliki sifat unik yang disesuaikan dengan aplikasi tertentu.

Perbandingan Materi Side-by-Side

Cara Memilih Bahan Keramik yang Tepat
a.Pilih Alumina jika: Anda membutuhkan solusi yang hemat biaya untuk aplikasi panas menengah (misalnya, driver LED, sensor otomotif bertenaga rendah) di mana konduktivitas termal 20-30 W/mK cukup.
b.Pilih Aluminium Nitride jika: Anda merancang untuk skenario daya tinggi (misalnya, powertrain EV, radar aerospace) yang membutuhkan disipasi panas maksimum (170 ~ 200 W / mK) dan ketahanan suhu.
c. Hindari FR4 jika: Aplikasi Anda melebihi 130°C atau membutuhkan integritas sinyal di atas 10 GHz.

Persiapan Bahan: Dari Bubuk ke Preform
Sebelum pembuatan, bahan keramik menjalani persiapan yang ketat untuk memastikan keseragaman dan kualitas:
1Pengolahan bubuk: bubuk Alumina/AlN digiling hingga ukuran partikel halus (1 ‰ 5 μm) untuk memastikan sintering padat kemudian. Kekotoran (misalnya, besi, silika) dihapus hingga < 0,1% untuk menghindari cacat.
2. Penambahan pengikat: Serbuk dicampur dengan pengikat organik (misalnya, polivinil butyral) dan pelarut untuk menciptakan licin
3.Tape Casting: bubur disebarkan ke film pembawa (misalnya, PET) menggunakan pisau dokter, menciptakan lembaran keramik tipis dan seragam (50 ~ 200 μm tebal).
4.Punching/Cutting: Lembar kering dipotong ke ukuran PCB yang diinginkan (misalnya, 100x150mm) dan ditusuk dengan lubang penyelarasan untuk tumpukan yang tepat.

Langkah Kritis: kemurnian bubuk diuji melalui fluoresensi sinar-X (XRF) untuk memastikan tidak ada kontaminan, bahkan 0,5% besi dapat mengurangi konduktivitas termal sebesar 10%.

Proses Manufaktur PCB MLC Langkah demi Langkah
Produksi PCB MLC adalah urutan yang didorong presisi dari 7 langkah, masing-masing membutuhkan peralatan khusus dan kontrol proses yang ketat.tidak lengkap sintering) dapat membuat papan tidak berguna.

1. Persiapan substrat: Membuat lembaran keramik seragam
Dasar PCB MLC adalah lembaran keramik berkualitas tinggi.
a. Pemeriksaan ketebalan: Mikrometer laser memeriksa ketebalan lembaran (toleransi ± 2μm) untuk memastikan penumpuk lapisan yang konsisten.
b. pengujian kepadatan: sampel acak dipanggang untuk menghilangkan pengikat dan ditimbang untuk memverifikasi konsentrasi bubuk
c.Pembersihan permukaan: Lembar dibersihkan dengan alkohol isopropil untuk menghilangkan debu, yang dapat menyebabkan celah udara pada langkah selanjutnya.

2. Layer Stacking & Lamination: Bonding Keramik Lapisan
Pertumpukannya menyelaraskan lembaran keramik dengan pola konduktif untuk membentuk struktur multilayer.

Langkah-langkah Utama dalam Menumpuk:
a.Screen Printing: Pasta konduktif (tembaga, perak, atau emas) dicetak pada lembaran keramik untuk membuat jejak sirkuit, pad, dan melalui pad.000 cP) untuk memastikan, garis seragam.
b. Perataan: Lembar ditumpuk menggunakan sistem keselarasan optik (keakuratan ± 5μm) yang cocok dengan lubang keselarasan yang ditusuk sebelumnya. Lapisan diperintahkan untuk bergantian antara pola keramik dan konduktif.
c. Laminasi: Perangkat yang ditumpuk ditekan dalam laminator vakum pada 70-100 °C dan tekanan 10-20 MPa. Vakum menghilangkan celah udara, sementara panas melembutkan pengikat ke lapisan ikatan.

Faktor Laminasi Kritis:

3. Melalui Pengeboran & Hole Metallization: Menghubungkan Lapisan
Vias adalah lubang kecil yang menghubungkan sirkuit melalui lapisan.
a. Pengeboran Laser: Laser UV (panjang gelombang 355nm) mengebor microvias (diameter 50-100μm) dengan akurasi ± 5μm. Metode ini ideal untuk desain kepadatan tinggi (misalnya, modul 5G).
b.Puncing: Punching mekanik menciptakan vias yang lebih besar (200 ¢ 500 μm) untuk aplikasi berbiaya rendah (misalnya, driver LED).
Setelah pengeboran:
c. Penghapusan noda: Pengolahan plasma menghilangkan pengikat residu dari dinding untuk memastikan adhesi logam.
d.Metalisasi: Vias diisi dengan pasta konduktif (perak atau tembaga) atau dilapisi dengan tembaga elektroless (kekandelan 0,5 μm) untuk menciptakan jalur listrik antara lapisan.

4Metalisasi & Circuit Patterning: Membuat Jalur Konduktif
Lapisan konduktif ditambahkan untuk membentuk sirkuit fungsional.
a.Screen Printing: Paling umum untuk PCB MLC ¢ pasta konduktif dicetak pada lembaran keramik untuk membentuk jejak (50 ¢ 100 μm lebar) dan pad. Pasta dikeringkan pada 120 °C untuk menghilangkan pelarut.
b. Sputtering: Untuk aplikasi frekuensi tinggi (misalnya, radar), lapisan tembaga tipis (1μm) disemprotkan ke lembaran keramik menggunakan sistem vakum.Sputtering memberikan adhesi yang lebih baik dan integritas sinyal daripada pencetakan layar tetapi lebih mahal.

Pemeriksaan Kualitas: Sistem inspeksi optik otomatis (AOI) memverifikasi lebar jejak, keselarasan pad, dan cakupan pasta. Cacat seperti jejak yang hilang ditandai sebelum sinter.

5. Sintering: Mengentalkan Struktur Keramik
Sintering adalah langkah "make-or-break" yang mengubah perakitan yang ditumpuk, penuh organik menjadi PCB keramik yang padat.
a.Menghilangkan pengikat organik (fase pembakaran: 200~400°C).
b. Fuse partikel keramik ke dalam struktur padat dan padat (fase sintering: 1600 ∼ 1800 °C untuk alumina; 1700 ∼ 1900 °C untuk AlN).
c. Mengikat lapisan konduktif ke substrat keramik.

Hasil Utama Sintering:

Kontrol kritis: Tungku sinter menggunakan ramp suhu terprogram (5 ° C / menit) untuk menghindari retakan √ pemanasan cepat menyebabkan penyusutan yang tidak merata.

6. Finishing Permukaan: Meningkatkan Keandalan & Soldability
Setelah sinter, PCB MLC menjalani perawatan permukaan untuk mempersiapkan untuk perakitan komponen:
a. Planarisasi: Permukaan atas/bawah digiling dengan abrasif berlian untuk mencapai ketampelan ± 5 μm yang kritis untuk penempatan komponen permukaan-mount (SMC).
b. Surface Plating: Lapisan tipis nikel (510μm) dan emas (0,10,5μm) atau ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) diterapkan pada pad. Ini meningkatkan soldering dan mencegah oksidasi.
c. Laser Marking: Laser serat mengukir nomor bagian dan kode batch pada PCB untuk traceability.

Perbandingan finishing permukaan untuk PCB MLC:

7. perakitan akhir & pengujian: Validasi kinerja
Langkah terakhir melibatkan pemasangan komponen dan memverifikasi fungsi PCB:
1Penempatan komponen: SMC (misalnya, resistor, kondensator, IC) ditempatkan menggunakan mesin pick-and-place (keakuratan ± 10μm).
2.Pemadatan kembali: PCB dipanaskan dalam oven reflow (suhu puncak: 260 °C untuk pemadatan bebas timbal) untuk melelehkan pasta pemadatan dan komponen ikatan.
3Mencuci: Mencuci dengan air menghilangkan residu fluks, yang dapat menyebabkan korosi.
4.Pengujian fungsional: PCB diuji untuk kontinuitas listrik, impedansi (± 1Ω untuk desain 50Ω), dan integritas sinyal (menggunakan VNA untuk papan frekuensi tinggi).
5.Pengujian Lingkungan: Untuk aplikasi keandalan tinggi, PCB menjalani siklus termal (-40 °C hingga +150 °C, 1000 siklus) dan pengujian getaran (10 ‰ 2000 Hz, akselerasi 10G) untuk memastikan daya tahan.

Pengendalian Kualitas: Mencegah Cacat di PCB MLC
PCB MLC digunakan dalam aplikasi yang kritis terhadap keselamatan (misalnya, EV BMS, radar aerospace), sehingga kontrol kualitas (QC) tertanam dalam setiap langkah manufaktur.

1. Bahan baku QC: Mengidentifikasi Masalah di Awal
a.Kebersihan bubuk: Analisis XRF memastikan kotoran adalah <0,1% – bahkan sejumlah kecil besi dapat mengurangi konduktivitas termal.
b. Konsistensi pengikat: Spektroskopi inframerah Fourier-transform (FTIR) memverifikasi komposisi pengikat untuk mencegah masalah penyusutan sinter.
c. Keseragaman lembaran: Profiler laser memeriksa ketebalan lembaran keramik (± 2μm) dan kekasaran permukaan (Ra < 0,5μm) untuk menghindari celah laminasi.

2. In-Process QC: Menghentikan Cacat di Tengah Produksi
a.Layer Alignment: Sistem alignment optik (keakuratan ± 5μm) memeriksa lapisan yang ditumpuk  kesalahan alignment > 10μm memicu pengolahan ulang.
b.Kualitas Via: Pemeriksaan sinar-X (resolusi 20μm) memverifikasi via pengisian ̇kosong > 10% dari via volume ditolak.
c.Densitas Sintering: Prinsip Archimedes mengukur kepadatan keramik <95% dari nilai teoritis menunjukkan sintering yang tidak lengkap.

3. QC akhir: Validasi Kinerja End-to-End
a.Pengujian listrik: Penguji probe terbang memeriksa pembukaan/pendekatan (100% cakupan) dan stabilitas impedansi (±1Ω).
b.Pengujian termal: Sebuah analizer flash laser mengukur konduktivitas termal nilai < 90% dari spesifikasi menunjukkan cacat.
c.Pengujian Mekanis: Pengujian kekuatan lentur (per ASTM C1161) memastikan PCB dapat menahan penanganan.
d.Pengujian Keandalan: Pengujian masa pakai yang dipercepat (ALT) mensimulasikan 10 tahun penggunaan (misalnya, 1000 siklus termal) untuk memprediksi kinerja jangka panjang.

Data Point: QC yang ketat mengurangi tingkat cacat PCB MLC menjadi <0,1% untuk aplikasi kedirgantaraan.

Aplikasi MLC PCB & Tren Masa Depan
MLC PCB sangat diperlukan dalam industri di mana kinerja, keandalan, dan ketahanan suhu tidak dapat dinegosiasikan.

Aplikasi Utama oleh Industri

Tren Masa Depan Membentuk PCB MLC
1.Miniaturisasi & Densitas Tinggi:Permintaan untuk perangkat IoT yang lebih kecil dan modul 5G mendorong PCB MLC dengan 20+ lapisan dan microvias <50μm √ diaktifkan oleh pengeboran laser canggih dan lembaran keramik tipis (50μm).
2Produksi Hijau: Sinter energi rendah (menggunakan oven gelombang mikro alih-alih tungku tradisional) mengurangi penggunaan energi sebesar 40%.
3.Bahan Keramik Baru: Keramik silikon karbida (SiC) dan boron nitrida (BN) sedang muncul SiC menawarkan konduktivitas termal 300 W/mK (lebih baik dari AlN) untuk EV bertenaga tinggi.
4.Komponen tertanam: Komponen pasif (resistor, kondensator) tertanam di dalam lapisan keramik untuk menghemat ruang.

FAQ: Pertanyaan Umum Tentang PCB MLC
1Mengapa PCB MLC lebih mahal daripada PCB FR4?
MLC PCB biaya 5 ¢ 10x lebih dari FR4 karena:
a. Bahan khusus (alumina/AlN 10 kali lebih mahal dari FR4).
b.Manufaktur presisi (pengeboran laser, sintering vakum).
c.QC yang ketat (X-ray, pengujian termal).
Namun, umur panjang mereka (10x vs FR4) dan biaya pemeliharaan yang lebih rendah membuat mereka hemat biaya untuk aplikasi keandalan tinggi.

2Dapatkah PCB MLC disesuaikan untuk aplikasi tertentu?
Ya, pilihan kustomisasi meliputi:
a.Pilihan bahan (alumina untuk biaya, AlN untuk panas tinggi).
b. Jumlah lapisan (4 ∼20 lapisan).
c. Ukuran jalur (50 ‰ 500 μm).
d.Lapisan permukaan (ENIG untuk aerospace, perak perendaman untuk otomotif).
e. Membungkus komponen (untuk miniaturisasi).

3. Berapa waktu lead khas untuk PCB MLC?
Waktu pelaksanaan bervariasi tergantung pada kompleksitas:
a. Prototipe (1 ′′ 10 unit): 2 ′′ 4 minggu (termasuk sintering dan pengujian).
b.Bagian kecil (100-500 unit): 4-6 minggu.
c.Bagian besar (1000+ unit): 6~8 minggu.
Lead time lebih lama dari FR4 (1 ′′ 2 minggu) karena proses sintering, yang memakan waktu 2 ′′ 3 hari.

Kesimpulan: MLC PCB
PCB keramik multilayer bukan hanya “performa tinggi” alternatif untuk PCB tradisional “mereka adalah kebutuhan untuk aplikasi elektronik yang paling menuntut.Kombinasi konduktivitas termal yang unik, ketahanan suhu, dan integritas sinyal memungkinkan inovasi dalam EV, 5G, aerospace, dan perangkat medis yang sebelumnya tidak mungkin.

Proses manufaktur PCB MLC, mulai dari persiapan material dan penumpuk lapisan hingga sintering dan QC, membutuhkan presisi, peralatan khusus, dan fokus pada kualitas.dari pemeriksaan kemurnian bubuk hingga uji siklus termal, dirancang untuk memastikan keandalan di lingkungan yang kritis untuk keselamatan.

Seiring industri elektronik berkembang menuju kekuatan yang lebih tinggi, frekuensi yang lebih tinggi, dan faktor bentuk yang lebih kecil, MLC PCB akan memainkan peran yang lebih besar.dan bahan keramik baru akan memperluas penggunaannya ke IoT, wearables, dan EVs ultra-high-power.

Untuk insinyur dan pembeli, memahami manufaktur PCB MLC adalah kunci untuk memilih teknologi yang tepat untuk proyek mereka.Anda dapat memanfaatkan PCB MLC untuk membangun elektronik yang lebih aman, lebih dapat diandalkan, dan lebih cocok dengan tuntutan dunia modern. Masa depan elektronik berkinerja tinggi adalah keramik dan PCB MLC memimpin jalan.