捷创电子：专注PCBA领域，陶瓷与FR4混压的热应力匹配方案

在需要高散热、高频或高可靠性的应用中（如大功率LED模组、射频前端），将导热和尺寸稳定性俱佳的陶瓷基板（如氧化铝Al₂O₃、氮化铝AlN）与常规FR4板材进行混压，是常见的解决方案。然而，这一组合的核心挑战在于两者巨大的热膨胀系数不匹配。陶瓷的CTE约为6-7 ppm/°C，而FR4的CTE在Z轴方向可达50-70ppm/°C。在回流焊和功率循环的温度波动下，这种不匹配会产生巨大的界面剪切应力，导致焊接点开裂、线路断裂甚至材料分层。解决此问题，需要一套系统性的“应力缓冲、结构优化与工艺适配”策略。

1.引入中间缓冲/过渡层
这是最核心的工程解决方案。通过在陶瓷与FR4之间引入一层具有中等CTE和高柔韧性的过渡材料，来梯度化并吸收应力。常用方案包括：

• Tg、低CTE的预浸料：选用特殊配方的半固化片，其Z轴CTE经过优化。
• 柔性粘接胶膜：采用高性能的丙烯酸或环氧胶膜，其弹性模量较低，能通过自身形变吸收大部分热应力。
• 金属核心层：在某些高功率模块中，采用铜-因瓦合金-铜等复合金属夹层作为过渡，利用其可控的CTE进行应力管理。材料的选择需通过热机械仿真和可靠性测试双重验证。

2.优化机械结构与布局设计

• 腔体结构设计：采用腔体压接而非简单叠层。将陶瓷基板嵌入FR4板预先铣出的腔体中，使陶瓷上表面与FR4板面大致持平。这种结构可以约束陶瓷在X-Y方向的位移，并部分利用FR4腔壁来支撑和分散应力。
• 布局与布线策略：避免在应力最集中的陶瓷边缘正上方布置易受损的细线或脆弱元件（如小型陶瓷电容）。连接陶瓷与FR4的电气互连（如引线、焊盘）应设计成应力释放形状，例如采用“S”形走线、泪滴焊盘或锚定焊盘。
• 焊点与填充保护：对连接陶瓷与FR4的较大焊点（如用于接地或散热的过孔），在其周围施加底部填充胶。这种胶水固化后能将应力从脆弱的焊点转移到更具弹性的胶体上，显著提升抗热疲劳能力。

3.精细控制组装工艺

• 焊接材料与工艺：选用延展性更好的焊料合金（如高银含量的SAC305或含铟的低温焊料），其更能承受循环应变。制定平缓的回流焊温度曲线，减少峰值温度和升温/降温速率，以降低热冲击。
• 梯度固化与后处理：如果使用胶粘剂，采用阶梯式固化程序，使应力在固化过程中逐步释放。组装完成后，可考虑进行热循环老炼，以稳定材料界面并剔除早期缺陷。

总而言之，解决陶瓷与FR4混压的热应力问题，没有“一招鲜”的解决方案。它要求设计者从材料选型、结构力学、电气布局到工艺控制进行全链条的协同设计与精密执行，其本质是通过一系列工程手段，在两种“性格迥异”的材料间构建一个稳健的、能够和谐变形的“过渡生态系统”。