Manufaktur PCB Keramik Multilapis: Panduan Komprehensif untuk Material, Proses, dan Aplikasi

Multilayer keramik papan sirkuit cetak (PCB) telah muncul sebagai teknologi penting untuk suhu tinggi, frekuensi tinggi, dan keandalan tinggi elektronik.yang bergantung pada substrat organik, PCB keramik menggunakan bahan anorganik seperti alumina (Al2O3) atau aluminium nitrida (AlN) untuk memberikan konduktivitas termal yang superior, ketahanan kimia, dan stabilitas mekanis.Sifat-sifat ini membuat mereka sangat diperlukan dalam aplikasi mulai dari sensor aerospace untuk elektronik kekuatan, di mana kinerja dalam kondisi ekstrim tidak dapat dinegosiasikan.

Panduan ini memberikan gambaran rinci tentang pembuatan PCB keramik multilayer, yang mencakup pemilihan bahan, langkah pembuatan, keuntungan utama, dan aplikasi industri.Apakah Anda seorang insinyur yang merancang untuk lingkungan yang keras atau produsen yang meningkatkan produksi, memahami nuansa pembuatan PCB keramik sangat penting untuk membuka potensi penuh mereka.

Mengapa PCB Keramik Multilayer?
PCB keramik mengatasi keterbatasan kritis PCB berbasis organik, terutama dalam skenario yang menuntut:
1Pengelolaan termal: substrat keramik melakukan panas 10×100 kali lebih baik daripada FR-4 (misalnya, AlN memiliki 180×220 W/m·K vs FR-4s 0,2×0,4 W/m·K),mencegah overheating pada perangkat bertenaga tinggi seperti modul LED dan penguat daya.
2Stabilitas suhu tinggi: Bahan keramik mempertahankan sifat mekanik dan listrik pada suhu hingga 1.000 °C, tidak seperti FR-4, yang terdegradasi di atas 130 °C.
3Kinerja Frekuensi Tinggi: Kerugian dielektrik rendah (Df < 0,001 pada 10GHz untuk Al2O3) membuatnya ideal untuk komunikasi 5G, radar, dan satelit.
4Ketahanan Kimia: Keramik inert terhadap pelarut, minyak, dan gas korosif, penting untuk aplikasi industri dan otomotif di bawah kap.

Untuk desain multilayer, manfaat ini bercampur: menumpuk lapisan keramik memungkinkan sirkuit yang padat dan berkinerja tinggi tanpa mengorbankan integritas termal atau mekanis.

Bahan Utama untuk PCB Keramik Multilayer
Pilihan substrat keramik secara langsung mempengaruhi kinerja, biaya, dan kompleksitas manufaktur.

a. Aluminium adalah kuda kerja, menyeimbangkan biaya dan kinerja untuk sebagian besar aplikasi industri.
b.AlN unggul dalam desain intensif panas (misalnya, modul IGBT) tetapi membutuhkan pemrosesan khusus.
c. Zirconia disediakan untuk lingkungan ekstrim di mana ketahanan mekanik (misalnya, ketahanan terhadap getaran) diprioritaskan atas konduktivitas termal.

Proses Manufaktur PCB Keramik Multilayer
Produksi PCB keramik multilayer melibatkan langkah presisi yang berbeda secara signifikan dari pembuatan PCB organik, karena sifat keramik yang rapuh dan suhu tinggi.
1. Persiapan substrat
a. Penggilingan Seramik Bubuk: Seramik bubuk mentah (misalnya, Al2O3) dicampur dengan pengikat (polyvinyl butyral), pelarut, dan pemapatan untuk membentuk bubur.Penggilingan mengurangi ukuran partikel menjadi 1 ‰ 5 μm untuk kepadatan seragam.
b.Tape Casting: bubur disebarkan ke film pembawa (PET) menggunakan pisau dokter, membentuk lembaran hijau tipis (0,1 ∼0,5 mm tebal).mudah dikendalikan ¢ pita hijau.

2. Pola Lapisan
a. Pengeboran laser: Microvias (50 ‰ 200 μm diameter) dibor ke pita hijau untuk menghubungkan lapisan.Pengeboran laser memastikan presisi tanpa retak bahan rapuh √ pengeboran mekanis terlalu tidak tepat untuk keramik tipis.
b.Metalisasi: Pasta konduktif (biasanya wolfram, molibdenum, atau tembaga) dicetak layar pada pita hijau untuk membentuk jejak, bantalan, dan melalui pengisi.Tungsten dan molibdenum kompatibel dengan sintering suhu tinggiTembaga membutuhkan proses suhu yang lebih rendah (misalnya, co-firing pada 900 °C).

3. Lapisan tumpukan dan laminasi
a. Perataan: Lembar hijau diselaraskan dengan menggunakan tanda fidusia untuk memastikan via dan trace registrasi di seluruh lapisan (toleransi ±5μm).
b. Laminasi: Lapisan yang ditumpuk ditekan pada suhu 50-100 °C dan 10-30 MPa untuk mengikatnya menjadi satu blok, menghilangkan celah udara yang dapat menyebabkan cacat selama sintering.

4. Sintering
a. Burnout pengikat: Laminat yang ditumpuk dipanaskan hingga 300~600 °C di udara atau nitrogen untuk menghilangkan pengikat organik, mencegah gelembung gas selama sintering.
b.Sintering: Laminat dibakar pada suhu tinggi (1,500 ~ 1,700 ° C untuk Al2O3; 1,600 ~ 1,800 ° C untuk AlN) untuk mengentalkan lapisan keramik dan sekering.bahan mengecil 15~20%~ pertimbangan penting untuk akurasi desain.
c. Pendinginan: Pendinginan terkontrol (≤5 °C/menit) meminimalkan tekanan termal dan retakan, terutama untuk PCB besar atau tebal.

5. Post-processing
a.Metalisasi Permukaan: Keramik sinter di logamkan dengan tembaga, emas, atau nikel-emas (ENIG) untuk meningkatkan soldeerability..
b.Dicing: Panel sinter dipotong menjadi PCB individu menggunakan gergaji berlian atau laser, menghindari tekanan mekanis yang dapat retak keramik.
c.Pengujian: pengujian listrik (kontinuitas, resistensi isolasi) dan pengujian termal (imaging inframerah) memverifikasi kinerja.

Tantangan dalam Manufaktur PCB Keramik Multilayer
Meskipun memiliki keuntungan, PCB keramik memiliki hambatan manufaktur yang unik:
a.Kontrol penyusutan: penyusutan sintering 15~20% membutuhkan skala desain pra-sinter yang tepat (misalnya, PCB akhir 100 mm membutuhkan lembaran hijau 120 mm).
b.Biaya: Bahan baku (terutama AlN) dan pengolahan suhu tinggi membuat PCB keramik 5 × 10 kali lebih mahal daripada FR-4.
c. Kerapatan: Keramik rentan terhadap retakan selama penanganan, membutuhkan alat khusus dan pengolahan yang lembut.
d. Kompleksitas Desain: jejak pitch halus (<50μm) sulit dicetak pada pita hijau, membatasi kepadatan dibandingkan dengan PCB organik HDI.

Keuntungan dari PCB Keramik Multilayer
Tantangan-tantangan ini diimbangi oleh manfaat kinerja yang membuat PCB keramik tak tergantikan dalam aplikasi utama:
1.Manajemen Termal yang Lebih Baik: PCB berbasis AlN mengurangi suhu simpang LED sebesar 30-40 °C dibandingkan dengan FR-4, memperpanjang umur dari 50.000 hingga 100.000+ jam.
2Keandalan suhu tinggi: Mempertahankan fungsi di ruang mesin mobil (150 °C+) dan tungku industri (500 °C+).
3Kerugian Sinyal Rendah: Kerugian dielektrik <0,001 pada 10GHz memungkinkan 5G mmWave (2860GHz) dan sistem radar dengan degradasi sinyal minimal.
4Ketahanan kimia dan kelembaban: Tahan paparan minyak, bahan bakar, dan kelembaban di lingkungan laut atau industri.
5Stabilitas Dimensi: Koefisien ekspansi termal (CTE) dekat dengan silikon (46 ppm/°C) mengurangi tekanan pada sendi solder dalam paket semikonduktor.

Aplikasi PCB Keramik Multilayer
PCB keramik unggul di lingkungan di mana PCB organik gagal:
a.Aerospace dan Pertahanan: Sistem panduan rudal, modul radar, dan sensor mesin (menoleransi suhu ekstrim dan getaran).
b.Power Electronics: modul IGBT, inverter, dan drive motor (penyimpangan panas yang efisien untuk sistem 100+ kW).
c.LED Lighting: Array LED bertenaga tinggi (lampu jalan, pencahayaan industri) di mana manajemen termal mencegah penurunan lumen.
d.Mobil: sensor ADAS, modul daya kendaraan listrik (EV), dan monitor sistem knalpot (tahan panas dan bahan kimia di bawah kap).
e.Telekomunikasi: penguat stasiun basis 5G dan transceiver satelit (kerugian dielektrik rendah untuk sinyal frekuensi tinggi).

Membandingkan PCB Keramik Multilayer dengan Alternatif

Tren Masa Depan dalam Manufaktur PCB Keramik Multilayer
Inovasi mengatasi hambatan biaya dan kompleksitas:
a. Low-Temperature Co-Firing (LTCC): Sintering pada 800~900°C memungkinkan metalisasi tembaga, mengurangi biaya dan meningkatkan konduktivitas.
b.Manufaktur Aditif: Pencetakan 3D lapisan keramik memungkinkan geometri yang kompleks (misalnya, saluran pendinginan internal) yang tidak mungkin dengan pengecoran pita.
c.Desain hibrida: Menggabungkan lapisan keramik dan FR-4 menyeimbangkan kinerja dan biaya dalam sistem sinyal campuran.

FAQ
T: Berapa jumlah lapisan maksimum untuk PCB keramik multilayer?
A: Biasanya 4~10 lapisan, dibatasi oleh tantangan keselarasan selama tumpukan. Proses canggih dapat mencapai 12~16 lapisan untuk aplikasi aerospace khusus.

T: Bisakah PCB keramik menggunakan komponen yang dipasang di permukaan?
A: Ya, tetapi pasta solder harus dirancang untuk komponen suhu tinggi (misalnya, solder SAC305, yang meleleh pada 217 °C, bekerja dengan PCB keramik).

T: Bagaimana PCB keramik menangani getaran?
A: Meskipun rapuh, kekuatan mekanik keramik yang tinggi (Al2O3 memiliki kekuatan lentur 300-400 MPa) memungkinkan penggunaan di lingkungan yang rentan terhadap getaran ketika dipasang dengan baik dengan perlengkapan penyerap kejut.

T: Apakah PCB keramik sesuai dengan RoHS?
A: Ya, substrat keramik dan bahan metalisasi (tungsten, tembaga, nikel) sesuai dengan RoHS, tanpa zat berbahaya.

T: Berapa waktu pengiriman untuk PCB keramik multilayer?
A: 4-6 minggu untuk prototipe; 8-12 minggu untuk produksi bervolume tinggi, karena langkah-langkah sintering dan pasca-pengolahan.

Kesimpulan
PCB keramik multilayer adalah teknologi khusus tapi penting untuk elektronik yang beroperasi dalam kondisi ekstrem.dan ketahanan kimia membuat mereka tak tergantikan di aerospace, elektronik daya, dan aplikasi 5G meskipun biaya manufaktur yang lebih tinggi.
Seiring kemajuan bahan dan proses (misalnya, LTCC, pencetakan 3D), PCB keramik akan menjadi lebih mudah diakses, memperluas penggunaannya di luar pasar ceruk.Memahami kebutuhan manufaktur unik mereka adalah kunci untuk memanfaatkan potensi penuh mereka dalam elektronik generasi berikutnya.