मल्टीलेयर सिरेमिक पीसीबी निर्माण: सामग्री, प्रक्रियाओं और अनुप्रयोगों के लिए एक व्यापक मार्गदर्शिका

मल्टीलेयर सिरेमिक प्रिंटेड सर्किट बोर्ड (पीसीबी) उच्च तापमान, उच्च आवृत्ति और उच्च विश्वसनीयता वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक महत्वपूर्ण तकनीक के रूप में उभरे हैं। पारंपरिक FR-4 PCBs के विपरीत, जो कार्बनिक सब्सट्रेट पर निर्भर करते हैं, सिरेमिक PCBs बेहतर तापीय चालकता, रासायनिक प्रतिरोध और यांत्रिक स्थिरता प्रदान करने के लिए एल्यूमिना (Al₂O₃) या एल्यूमीनियम नाइट्राइड (AlN) जैसी अकार्बनिक सामग्रियों का उपयोग करते हैं। ये गुण उन्हें एयरोस्पेस सेंसर से लेकर पावर इलेक्ट्रॉनिक्स तक के अनुप्रयोगों में अपरिहार्य बनाते हैं, जहां चरम स्थितियों में प्रदर्शन पर समझौता नहीं किया जा सकता है।

यह मार्गदर्शिका मल्टीलेयर सिरेमिक पीसीबी निर्माण का विस्तृत अवलोकन प्रदान करती है, जिसमें सामग्री चयन, निर्माण चरण, प्रमुख लाभ और उद्योग अनुप्रयोग शामिल हैं। चाहे आप कठोर वातावरण के लिए डिजाइन करने वाले इंजीनियर हों या उत्पादन को बढ़ाने वाले निर्माता हों, सिरेमिक पीसीबी निर्माण की बारीकियों को समझना उनकी पूरी क्षमता को उजागर करने के लिए आवश्यक है।

मल्टीलेयर सिरेमिक पीसीबी क्यों?
सिरेमिक पीसीबी कार्बनिक-आधारित पीसीबी की महत्वपूर्ण सीमाओं को संबोधित करते हैं, विशेष रूप से मांग वाले परिदृश्यों में:
1. थर्मल प्रबंधन: सिरेमिक सब्सट्रेट FR-4 की तुलना में 10–100x बेहतर गर्मी का संचालन करते हैं (उदाहरण के लिए, AlN में 180–220 W/m·K बनाम FR-4 का 0.2–0.4 W/m·K), उच्च-शक्ति वाले उपकरणों जैसे LED मॉड्यूल और पावर एम्पलीफायर में ज़्यादा गरम होने से रोकना।
2. उच्च तापमान स्थिरता: सिरेमिक सामग्री 1,000 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान पर यांत्रिक और विद्युत गुणों को बनाए रखती है, FR-4 के विपरीत, जो 130 डिग्री सेल्सियस से ऊपर खराब हो जाता है।
3. उच्च-आवृत्ति प्रदर्शन: कम डाइइलेक्ट्रिक हानि (Df < 0.001 at 10GHz for Al₂O₃) उन्हें 5G, रडार और उपग्रह संचार के लिए आदर्श बनाती है।4. रासायनिक प्रतिरोध: सिरेमिक सॉल्वैंट्स, तेलों और संक्षारक गैसों के प्रति निष्क्रिय है, जो औद्योगिक और ऑटोमोटिव अंडर-हुड अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है।
मल्टीलेयर डिज़ाइनों के लिए, ये लाभ संयुक्त होते हैं: सिरेमिक परतों को स्टैकिंग करने से तापीय या यांत्रिक अखंडता का त्याग किए बिना घने, उच्च-प्रदर्शन वाले सर्किट सक्षम होते हैं।

मल्टीलेयर सिरेमिक पीसीबी के लिए प्रमुख सामग्री

सिरेमिक सब्सट्रेट का चुनाव सीधे प्रदर्शन, लागत और निर्माण जटिलता को प्रभावित करता है। तीन सबसे आम सामग्रियां हैं:
सामग्री

b. AlN गर्मी-गहन डिज़ाइनों (उदाहरण के लिए, IGBT मॉड्यूल) में उत्कृष्ट प्रदर्शन करता है, लेकिन इसके लिए विशेष प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है।
c. ज़िरकोनिया उन चरम वातावरणों के लिए आरक्षित है जहां यांत्रिक कठोरता (उदाहरण के लिए, कंपन का प्रतिरोध) को तापीय चालकता पर प्राथमिकता दी जाती है।
मल्टीलेयर सिरेमिक पीसीबी निर्माण प्रक्रिया

मल्टीलेयर सिरेमिक पीसीबी का उत्पादन करने में सटीक चरण शामिल होते हैं जो सिरेमिक सामग्रियों की भंगुर, उच्च तापमान प्रकृति के कारण कार्बनिक पीसीबी निर्माण से काफी भिन्न होते हैं।
1. सब्सट्रेट तैयारी
  a. सिरेमिक पाउडर मिलिंग: कच्चे सिरेमिक पाउडर (उदाहरण के लिए, Al₂O₃) को एक घोल बनाने के लिए बाइंडर (पॉलीविनाइल ब्यूटिरल), सॉल्वैंट्स और प्लास्टिसाइज़र के साथ मिलाया जाता है। मिलिंग कण आकार को 1–5μm तक कम करता है ताकि समान घनत्व प्राप्त हो सके।
  b. टेप कास्टिंग: घोल को डॉक्टर ब्लेड का उपयोग करके एक वाहक फिल्म (पीईटी) पर फैलाया जाता है, जिससे पतली हरी चादरें (0.1–0.5 मिमी मोटी) बनती हैं। इन चादरों को सॉल्वैंट्स को हटाने के लिए सुखाया जाता है, जिससे लचीला, संभालने योग्य “ग्रीन टेप” बनता है।
2. परत पैटर्निंग

 a. लेजर ड्रिलिंग: परतों को जोड़ने के लिए ग्रीन टेप में माइक्रोविया (50–200μm व्यास) ड्रिल किए जाते हैं। लेजर ड्रिलिंग भंगुर सामग्री को क्रैक किए बिना सटीकता सुनिश्चित करता है—यांत्रिक ड्रिलिंग पतले सिरेमिक के लिए बहुत ही अशुद्ध है।
 b. धातुकरण: प्रवाहकीय पेस्ट (आमतौर पर टंगस्टन, मोलिब्डेनम या तांबा) को ट्रेसेस, पैड और वाया फिल बनाने के लिए ग्रीन टेप पर स्क्रीन-प्रिंट किया जाता है। टंगस्टन और मोलिब्डेनम उच्च तापमान सिंटरिंग के साथ संगत हैं; तांबे को कम तापमान प्रक्रियाओं (उदाहरण के लिए, 900 डिग्री सेल्सियस पर सह-फायरिंग) की आवश्यकता होती है।
3. परत स्टैकिंग और लैमिनेशन

  a. संरेखण: ग्रीन शीट को परतों में वाया और ट्रेस पंजीकरण सुनिश्चित करने के लिए फिडुशियल चिह्नों का उपयोग करके संरेखित किया जाता है (सहिष्णुता ±5μm)।
  b. लैमिनेशन: स्टैक्ड परतों को उन्हें एक ही ब्लॉक में बांधने के लिए 50–100 डिग्री सेल्सियस और 10–30 एमपीए पर दबाया जाता है, जिससे सिंटरिंग के दौरान दोष पैदा हो सकते हैं।
4. सिंटरिंग

 a. बाइंडर बर्नआउट: स्टैक्ड लैमिनेट को हवा या नाइट्रोजन में 300–600 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाता है ताकि कार्बनिक बाइंडर को हटाया जा सके, जिससे सिंटरिंग के दौरान गैस के बुलबुले को रोका जा सके।
 b. सिंटरिंग: सिरेमिक को घना करने और परतों को फ्यूज करने के लिए लैमिनेट को उच्च तापमान (Al₂O₃ के लिए 1,500–1,700 डिग्री सेल्सियस; AlN के लिए 1,600–1,800 डिग्री सेल्सियस) पर फायर किया जाता है। सिंटरिंग के दौरान, सामग्री 15–20% तक सिकुड़ जाती है—डिजाइन सटीकता के लिए एक महत्वपूर्ण विचार।
 c. कूलिंग: नियंत्रित कूलिंग (≤5 डिग्री सेल्सियस/मिनट) थर्मल तनाव और क्रैकिंग को कम करता है, खासकर बड़े या मोटे पीसीबी के लिए।
5. पोस्ट-प्रोसेसिंग

 a. सतह धातुकरण: सोल्डरबिलिटी में सुधार करने के लिए सिंटर किए गए सिरेमिक को तांबे, सोने या निकल-सोने (ENIG) के साथ धातुकृत किया जाता है। टंगस्टन/मोलिब्डेनम परतों को अक्सर ऑक्सीकरण को रोकने के लिए निकल के साथ चढ़ाया जाता है।
 b. डाइसिंग: सिंटर किए गए पैनल को हीरे की आरी या लेजर का उपयोग करके व्यक्तिगत पीसीबी में काटा जाता है, जिससे यांत्रिक तनाव से बचा जा सकता है जो सिरेमिक को क्रैक कर सकता है।
 c. परीक्षण: विद्युत परीक्षण (निरंतरता, इन्सुलेशन प्रतिरोध) और थर्मल परीक्षण (इन्फ्रारेड इमेजिंग) प्रदर्शन को सत्यापित करते हैं।
मल्टीलेयर सिरेमिक पीसीबी निर्माण में चुनौतियाँ

अपने फायदों के बावजूद, सिरेमिक पीसीबी अद्वितीय निर्माण बाधाओं को प्रस्तुत करते हैं:
 a. संकोचन नियंत्रण: 15–20% सिंटरिंग संकोचन के लिए सटीक प्री-सिंटर डिज़ाइन स्केलिंग की आवश्यकता होती है (उदाहरण के लिए, 100 मिमी अंतिम पीसीबी के लिए 120 मिमी ग्रीन शीट की आवश्यकता होती है)।
 b. लागत: कच्चे माल (विशेष रूप से AlN) और उच्च तापमान प्रसंस्करण सिरेमिक पीसीबी को FR-4 की तुलना में 5–10x अधिक महंगा बनाते हैं।
 c. भंगुरता: सिरेमिक हैंडलिंग के दौरान क्रैकिंग की संभावना होती है, जिसके लिए विशेष टूलिंग और कोमल प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है।
 d. डिज़ाइन जटिलता: फाइन-पिच ट्रेस (<50μm) ग्रीन टेप पर प्रिंट करना मुश्किल है, जो HDI कार्बनिक पीसीबी की तुलना में घनत्व को सीमित करता है।
मल्टीलेयर सिरेमिक पीसीबी के लाभचुनौतियों को प्रदर्शन लाभों से ऑफसेट किया जाता है जो सिरेमिक पीसीबी को प्रमुख अनुप्रयोगों में अपूरणीय बनाते हैं:

1. सुपीरियर थर्मल प्रबंधन: AlN-आधारित पीसीबी FR-4 की तुलना में LED जंक्शन तापमान को 30–40 डिग्री सेल्सियस तक कम करते हैं, जिससे जीवनकाल 50,000 से 100,000+ घंटे तक बढ़ जाता है।
2. उच्च तापमान विश्वसनीयता: ऑटोमोटिव इंजन बे (150 डिग्री सेल्सियस+) और औद्योगिक भट्टियों (500 डिग्री सेल्सियस+) में कार्यक्षमता बनाए रखें।
3. कम सिग्नल हानि: 10GHz पर डाइइलेक्ट्रिक हानि <0.001 5G mmWave (28–60GHz) और रडार सिस्टम को न्यूनतम सिग्नल गिरावट के साथ सक्षम करती है।
4. रासायनिक और नमी प्रतिरोध: समुद्री या औद्योगिक वातावरण में तेल, ईंधन और नमी के संपर्क में आने का सामना करें।
5. आयामी स्थिरता: थर्मल विस्तार का गुणांक (CTE) सिलिकॉन के करीब (4–6 पीपीएम/डिग्री सेल्सियस) सेमीकंडक्टर पैकेज में सोल्डर जोड़ों पर तनाव को कम करता है।मल्टीलेयर सिरेमिक पीसीबी के अनुप्रयोग
सिरेमिक पीसीबी उन वातावरणों में उत्कृष्ट प्रदर्शन करते हैं जहां कार्बनिक पीसीबी विफल हो जाते हैं:
 a. एयरोस्पेस और रक्षा: मिसाइल मार्गदर्शन प्रणाली, रडार मॉड्यूल और इंजन सेंसर (चरम तापमान और कंपन को सहन करते हैं)।

 b. पावर इलेक्ट्रॉनिक्स: IGBT मॉड्यूल, इन्वर्टर और मोटर ड्राइव (100+ kW सिस्टम के लिए कुशल गर्मी अपव्यय)।
 c. एलईडी लाइटिंग: उच्च-शक्ति एलईडी सरणियाँ (स्ट्रीटलाइट, औद्योगिक प्रकाश व्यवस्था) जहां थर्मल प्रबंधन लुमेन गिरावट को रोकता है।
 d. ऑटोमोटिव: ADAS सेंसर, इलेक्ट्रिक वाहन (EV) पावर मॉड्यूल और एग्जॉस्ट सिस्टम मॉनिटर (अंडर-हुड गर्मी और रसायनों का प्रतिरोध)।
 e. दूरसंचार: 5G बेस स्टेशन एम्पलीफायर और उपग्रह ट्रांससीवर (उच्च-आवृत्ति संकेतों के लिए कम डाइइलेक्ट्रिक हानि)।
मल्टीलेयर सिरेमिक पीसीबी की तुलना विकल्पों से करना
प्रौद्योगिकी
थर्मल चालकता (W/m·K)

अधिकतम तापमान (°C)

  b. एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग: सिरेमिक परतों का 3D प्रिंटिंग जटिल ज्यामिति (उदाहरण के लिए, आंतरिक कूलिंग चैनल) की अनुमति देता है जो टेप कास्टिंग के साथ संभव नहीं है।
  c. हाइब्रिड डिज़ाइन: सिरेमिक और FR-4 परतों का संयोजन मिश्रित-सिग्नल सिस्टम में प्रदर्शन और लागत को संतुलित करता है।
अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
प्र: मल्टीलेयर सिरेमिक पीसीबी के लिए अधिकतम परत गणना क्या है?
ए: आमतौर पर 4–10 परतें, स्टैकिंग के दौरान संरेखण चुनौतियों से सीमित। उन्नत प्रक्रियाएं विशेष एयरोस्पेस अनुप्रयोगों के लिए 12–16 परतें प्राप्त कर सकती हैं।

प्र: क्या सिरेमिक पीसीबी सतह-माउंट घटकों का उपयोग कर सकते हैं?
ए: हाँ, लेकिन सोल्डर पेस्ट को उच्च तापमान घटकों के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए (उदाहरण के लिए, SAC305 सोल्डर, जो 217 डिग्री सेल्सियस पर पिघलता है, सिरेमिक पीसीबी के साथ काम करता है)।
प्र: सिरेमिक पीसीबी कंपन को कैसे संभालते हैं?

ए: हालांकि भंगुर, सिरेमिक की उच्च यांत्रिक शक्ति (Al₂O₃ में 300–400 एमपीए फ्लेक्सुरल स्ट्रेंथ है) सदमे-अवशोषित फिक्स्चर के साथ ठीक से माउंट होने पर कंपन-प्रवण वातावरण में उपयोग की अनुमति देती है।
प्र: क्या सिरेमिक पीसीबी RoHS अनुरूप हैं?

ए: हाँ, सिरेमिक सब्सट्रेट और धातुकरण सामग्री (टंगस्टन, तांबा, निकल) RoHS-अनुरूप हैं, जिनमें कोई खतरनाक पदार्थ नहीं हैं।
प्र: मल्टीलेयर सिरेमिक पीसीबी के लिए लीड टाइम क्या है?

ए: प्रोटोटाइप के लिए 4–6 सप्ताह; सिंटरिंग और पोस्ट-प्रोसेसिंग चरणों के कारण उच्च-मात्रा उत्पादन के लिए 8–12 सप्ताह।
निष्कर्ष

मल्टीलेयर सिरेमिक पीसीबी चरम स्थितियों में संचालित होने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक विशेष लेकिन आवश्यक तकनीक हैं। उनकी बेहतर तापीय चालकता, उच्च तापमान स्थिरता और रासायनिक प्रतिरोध उन्हें एयरोस्पेस, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और 5G अनुप्रयोगों में अपूरणीय बनाते हैं—उच्च निर्माण लागत के बावजूद।
जैसे-जैसे सामग्री और प्रक्रियाएं आगे बढ़ती हैं (उदाहरण के लिए, LTCC, 3D प्रिंटिंग), सिरेमिक पीसीबी अधिक सुलभ हो जाएंगे, जिससे उनका उपयोग आला बाजारों से परे बढ़ जाएगा। इंजीनियरों और निर्माताओं के लिए, उनकी अनूठी निर्माण आवश्यकताओं को समझना अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक्स में उनकी पूरी क्षमता का लाभ उठाने की कुंजी है।