در چشمانداز فناوری در حال تحول امروز، صنایع به دنبال اجزای الکترونیکی مقاوم و با دقت بالا هستند که توانایی تحمل شرایط محیطی شدید را داشته باشند. مدولهای سرامیکی چندلایه، بهویژه آنهایی که بر پایۀ سرامیکهای همپخت در دمای پایین (LTCC) هستند، بهعنوان یک راهحل تحولآفرین ظاهر شدهاند. این مدولهای نوآورانه، محدودیتهای مواد پلاستیکی سنتی را برطرف کرده و قابلیت اطمینان، دوام و فشردگی بینظیری را برای کاربردهایی با عملکرد بالا ارائه میدهند.
مدول سرامیکی چندلایه چیست؟
مدولهای سرامیکی چندلایه، حاملهای پیشرفتۀ مدار الکترونیکی هستند که با چیدن و زینترینگ چندین لایه سرامیک ساخته میشوند. برخلاف بردهای مدار سنتی که عمدتاً بر پایۀ پلاستیک هستند، این مدولها از سرامیک برای افزایش پایداری حرارتی و مکانیکی استفاده میکنند.
آنها شامل سیمکشی داخلی، اتصالهای عمودی (ویاس) و اجزای نصبشده بر روی سطح (SMDها) در یک طراحی فشرده هستند. مدولهای مبتنی بر LTCC بهطور ویژه به دلیل قابلیت شکلگیری به ساختارهای سهبعدی شناخته میشوند که امکان ایجاد طرحهای جدید در طراحی الکترونیک را فراهم میکنند.
چرا فناوری LTCC؟
فناوری LTCC از سرامیکهایی استفاده میکند که در دماهای زیر 900 درجۀ سانتیگراد همپخت میشوند و امکان ترکیب مواد رسانا و دیالکتریک مختلف را فراهم میکنند. این فرآیند کمدما تضمین میکند که قطعات الکترونیکی حساس در طول تولید آسیب نبینند. مدولهای LTCC به دلیل ویژگیهای زیر به ستون اصلی الکترونیک با قابلیت اطمینان بالا تبدیل شدهاند:
مزایای کلیدی مدولهای سرامیکی چندلایه
1- دوام بالا: مدولهای سرامیکی بهطور ذاتی از جایگزینهای پلاستیکی مقاومتر هستند. آنها کمتر در معرض انبساط حرارتی قرار میگیرند و عملکردی پایدار و طولانیمدت را در محیطهای پرچالش مانند صنایع هوافضا، خودروسازی و دفاعی تضمین میکنند.
2- طراحیهای فشرده و کارآمد: ادغام سیمکشی داخلی و اتصالات عمودی باعث کاهش ابعاد کلی سیستمهای الکترونیکی میشود. با چینش چندین لایۀ مدارات، مدولهای LTCC میتوانند عملکردهای پیچیدهای را در ابعادی کوچک ارائه دهند.
3- قابلیت اطمینان بالا: این مدولها حتی در شرایط عملیاتی شدید، عملکردی ثابت ارائه میدهند. دقت بالای تولید آنها خطرات خرابی را به حداقل رسانده و آنها را برای کاربردهای حساس و حیاتی ایدهآل میسازد.
4- قابلیت سفارشیسازی: مدولهای LTCC میتوانند مطابق با نیازهای خاص طراحی شوند، از جمله هندسههای پیچیده، مسیرهای رسانای سفارشی و همچنین ادغام حسگرها و سایر قطعات.
تکنیکهای شکلدهی در تولید مدولهای LTCC
یکی از جنبههای نوآورانه مدولهای LTCC توانایی آنها در پذیرش اشکال سهبعدی است. این انعطافپذیری در طراحی، امکان ایجاد طرحهایی را فراهم میکند که در بردهای مدار تخت سنتی غیرممکن بودند.
در این فرآیند، لایههای سرامیکی با استفاده از یک قالب و با تکیه بر نیروی جاذبه به شکل دلخواه درمیآیند. این روش مقرونبهصرفه برای هندسههای ساده مانند نیماستوانهها ایدهآل است. تنها ابزار اضافی موردنیاز، یک قالب شیشهای کوارتز است که این روش را برای بسیاری از کاربردها عملی میکند.
این روش شامل استفاده از دو قالب برای تضمین دقت ابعادی در طول فرآیند زینترینگ است. هرچند این تکنیک پیچیدهتر و نیازمند منابع بیشتری است، اما امکان شکلدهی دقیق به ساختارهایی مانند سیلندرهای تقریباً بسته و سایر اشکال پیچیده را فراهم میکند. با جلوگیری از پیچش مواد، این روش به بهبود یکنواختی و قابلیت اطمینان کمک میکند.
طراحی برای قابلیت اطمینان: رساناها و ویاسها
برای تضمین قابلیت اطمینان مدولهای LTCC، طراحی دقیق پارامترهای رساناها و ویاسها بسیار حیاتی است:
1- عرض رسانا: عرض حداقل 200 میکرومتر توصیه میشود تا از ترکخوردگی یا از دستدادن تماس الکتریکی در هنگام تغییر شکل جلوگیری شود.
2- قطر ویاس: ویاسها اتصالات عمودی بین لایهها هستند. برای عملکرد بهینه، قطر آنها نباید از 150 میکرومتر بیشتر باشد و حداقل فاصلۀ 1 میلیمتر برای جلوگیری از تضعیف ساختاری ضروری است.
3- اتصال سیمی روی سطوح منحنی: یکی از چالشهای طراحی مدولهای LTCC، ایجاد اتصالات سیمی روی سطوح منحنی است. مدولهای سرامیکی قادر به مدیریت این مسئله هستند، اما رعایت موارد زیر ضروری است:
کاربردهای مدولهای سرامیکی چندلایه LTCC
تنوع کاربردی مدولهای LTCC به کارگیری آنها را در صنایع مختلف ضروری کرده است:
1- الکترونیک با قابلیت اطمینان بالا: در صنایعی مانند هوافضا، خودروسازی و دستگاههای پزشکی، که شکست غیرقابل قبول است، مدولهای LTCC انتخابی ایدهآل هستند. توانایی آنها در عملکرد در دماهای بسیار بالا و شرایط سخت، عملکرد قابل اطمینانی را تضمین میکند.
2- مخابرات: مدولهای LTCC در مدارهای جمعوجور و با فرکانس بالا برای سیستمهای مخابراتی استفاده میشوند و انتقال دادۀ کارآمد را در فضایی کوچکتر ممکن میسازند.
3- حسگرهای صنعتی: مقاومت شیمیایی و حرارتی مدولهای LTCC، آنها را برای یکپارچهسازی حسگرها در کاربردهای صنعتی مانند اندازهگیری فشار و تشخیص گاز ایدهآل میسازد.
4- مدارات پیشرفته: با پشتیبانی از طراحیهای پیچیده، این مدولها در سیستمهای پیشرفتهای مانند دستگاههای اینترنت اشیا (IoT) و فناوریهای پوشیدنی کاربرد دارند.
یافتههای کلیدی تحقیقات اخیر
مطالعات اخیر در زمینه تولید و آزمایش مدولهای LTCC نتایج ارزشمندی ارائه کردهاند:
1- بهینهسازی زینترینگ: پروفایلهای استاندارد زینترینگ برای زینترینگ آزاد بهخوبی عمل میکنند. اما برای اشکال پیچیدهتر، افزایش زمان مرحله دبایندینگ، یکنواختی مواد و دقت ابعادی بهتری را تضمین میکند.
2- بهبود تکنیکهای اتصال: اتصال سیمی روی مدولهای LTCC با تنظیمات جزئی تجهیزات سنتی اتصال، نتایج قابل اعتمادی ارائه میدهد. استفاده از لحیمکاری برای قطعات بزرگتر نیز پایداری را تضمین میکند.
3- افزایش قابلیت اطمینان: با رعایت توصیههای طراحی برای عرض رسانا و فاصله ویاسها، تولیدکنندگان میتوانند نرخ خرابی کمتر از 5 درصد را به دست آورند.
چشمانداز آینده فناوری LTCC
آینده فناوری LTCC امیدوارکننده است و پیشرفتهای در حال انجام بر موارد زیر متمرکز هستند:
نتیجهگیری
مدولهای سرامیکی چندلایه، گامی مهم در طراحی و تولید ملزومات الکترونیکی به شمار میروند. با ترکیب دوام، فشردگی و عملکرد پیشرفته، این مدولها نقش محوری در آینده سیستمهای الکترونیکی ایفا خواهند کرد؛ چه در صنایع هوافضا، مخابرات یا اتوماسیون صنعتی، مدولهای LTCC راه را برای فناوریهای نسل آینده هموار میسازند.
Recent Advances in Multi-Material 3D Printing of Functional Ceramic Devices