Mikä on keraaminen piirilevy ja millaisia keraamisia piirilevyjä on olemassa?

Mikä on Keraaminen piirilevy?

Keraamiset piirilevyt (PCB) ovat piirilevyjä, joissa substraattina käytetään keraamisia materiaaleja. Ne valmistetaan keraamisista jauheista (kuten alumiinioksidista, alumiinitridistä tai berylliumoksidista) yhdistettynä orgaanisiin sideaineisiin.Niiden lämmönjohtavuus on tyypillisesti 9–20 W/m·K, mikä tekee niistä erinomaisia lämmön hallintaan. Niillä on myös alhainen lämpölaajenemiskerroin (CTE) ja vakaat sähköiset ominaisuudet. Ne valmistetaan käyttämällä tekniikoita, kuten laseraktivoitu metallointi (LAM), mikä tekee niistä täydellisiä elektronisiin laitteisiin, jotka toimivat suuritehoisissa, korkeataajuisissa ja korkean lämpötilan ympäristöissä.

Keraamisen PCB:n tyypit Suunnitteluohjeet:

Materiaalijärjestelmien ja valmistusprosessien perusteella keraamiset piirilevyt luokitellaan pääasiassa seuraaviin tyyppeihin:

1. HTCC (korkealämpötilakeraamiset keraamiset)

• Materiaalit: Alumiinipohjainen keramiikka, jossa on volframi/molybdeenimetallipastoja.
• Prosessi: Yhteispoltto vetyatmosfäärissä 1600–1700 °C:ssa enintään 48 tuntia.
• OminaisuudetKorkea rakenteellinen lujuus ja tarkkuus, soveltuu korkean luotettavuuden ilmailu- ja avaruus- sekä sotilassovelluksiin.

2.LTCC (matalalämpötilakeraamiset keraamiset)

• MateriaalitKristallilasi + keraamiset komposiittimateriaalit, joissa on kultapohjaisia tahnoja.
• Prosessi: Sintraus noin 900 °C:ssa, minkä jälkeen laminointi ja muovaus.
• OminaisuudetAlhainen kutistumistoleranssi ja korkea mekaaninen lujuus, käytetään laajalti RF-moduuleissa ja antureissa.

3.Paksukalvoinen keraaminen PCB

• Prosessi: Hopea-/kulta-palladiumpastojen silkkipainatus keraamisille alustoille, jota seuraa korkean lämpötilan sintraus (≤1000 °C).
• Ominaisuudet: Johtokerroksen paksuus 10–13 μm, tukee passiivisten komponenttien, kuten vastusten ja kondensaattoreiden, integrointia, sopii monimutkaisiin piirisuunnitteluihin.

4.Ohutkalvokeraaminen PCB

• ProsessiMikronitason metallipiirien muodostaminen tyhjiöpinnoituksella tai sputteroinnilla.
• OminaisuudetKorkea piirin tarkkuus, ihanteellinen korkeataajuisille mikroaaltopiireille.

5.DBC/DPC (Suoraan sidottu kupari/suorasti päällystetty kupari-keraaminen substraatti)

• ProsessiKuparifolion suora liimaaminen keraamisille pinnoille korkeissa lämpötiloissa (DBC) tai piirin muodostaminen galvanoimalla (DPC).
• OminaisuudetErinomainen lämmönjohtavuus ja virransietokyky, minkä vuoksi ne ovat ensisijainen valinta tehopuolijohteisiin (esim. IGBT) ja LED-valaistukseen.

Keraamisten piirilevyjen edut

1. Korkea lämmönjohtavuus:
   Lämmönjohtavuus on paljon korkeampi kuin perinteisissä FR-4-substraateissa (esim. alumiinitriidi voi saavuttaa 170–230 W/m·K), mikä ratkaisee tehokkaasti lämmön haihtumisen suuritehoisissa laitteissa.
2. Erinomainen korkean taajuuden suorituskyky:
   Alhainen dielektrinen häviö ja vakaa dielektrinen vakio, joka soveltuu 5G-, RF- ja mikroaaltoviestintään.
3. Korkean lämpötilan vakaus:
   Voidaan käyttää yli 350 °C:n lämpötiloissa, mikä tekee niistä ihanteellisia autojen elektroniikkaan, ilmailu- ja avaruusteollisuuteen sekä muihin korkean lämpötilan sovelluksiin.
4. Mekaaninen ja kemiallinen kestävyys:
   Korkea mekaaninen lujuus, tärinän, korroosion ja kemiallisen eroosion kestävyys.
5. Mittapysyvyys ja alhainen CTE:
   Lämpölaajenemiskerroin on lähellä piisirujen lämpölaajenemiskerrointa, mikä vähentää lämpörasituksesta johtuvia liitosvikoja.
6. Suuren tiheyden integrointikapasiteetti:
   Tukee hienoja viivanleveyksiä, mikroviivoja ja monikerroksista pinoamista, mikä sopii miniatyrisoituihin malleihin.

Keraamisten piirilevyjen valmistusprosessi

1. Suunnittelu ja ulkoasu:
   Piirisuunnittelu CAD-ohjelmiston avulla, lämmönhallinnan ja signaalin eheyden optimointi.
2. Substraatin valmistelu:
   Keraamiset substraatit (Al₂O₃, AlN, SiC jne.) leikataan ja kiillotetaan haluttuihin mittoihin.
3. Johtavan kerroksen laskeutuminen:
   Hopea/kulta-palladium-johtava tahna levitetään silkkipaino- tai mustesuihkutekniikalla.
4. Poraus ja täyttö:
   Laser- tai mekaaninen poraus, jossa läpiviennit täytetään johtavilla materiaaleilla kerrosten välisiä liitoksia varten.
5. Yhteispoltto ja sintraus:

• HTCC: Sintrattu vetyympäristössä 1600–1700 °C:ssa.
• LTCC: Matalan lämpötilan sintraus noin 900 °C:ssa.
  Monikerroksiset piirit on pinottava ennen rinnakkaispolttoa.

1. Komponenttien kokoonpano ja testaus:
   SMD-komponentit juotetaan, minkä jälkeen tehdään sähkö-, ympäristö- ja luotettavuustestit.
2. Suojapinnoitteet ja pakkaukset:
   Suojakerrokset levitetään ympäristönkestävyyden parantamiseksi, minkä jälkeen tehdään lopullinen toiminnallinen testaus ja pakkaus.

Milloin valita keraamiset piirilevyt?

Keraamiset piirilevyt soveltuvat seuraaviin tilanteisiin:

• Suuritehoiset laitteet: Kuten IGBT-moduulit, tehonhallintajärjestelmät ja autojen LED-valot.
• Korkean taajuuden sovellukset5G-tukiasemat, tutkajärjestelmät, satelliittiviestintä.
• Korkean lämpötilan ympäristötIlmailu- ja avaruusteollisuuden moottorinohjaus, autoteollisuuden elektroniikka.
• Korkean luotettavuuden vaatimuksetLääkinnälliset laitteet (esim. laser-kirurgiset instrumentit), sotilaslaitteet.
• Kemiallisesti syövyttävät ympäristöt: Öljynetsintä, teollisuusautomaatio.

Huomioita:

• Keraamiset piirilevyt ovat suhteellisen kalliita, joten ne soveltuvat pikemminkin korkean suorituskyvyn tarpeisiin kuin kuluttajaluokan tuotteisiin.
• Suunnittelussa on otettava huomioon materiaalin hauraus mekaanisen jännityksen keskittymisen välttämiseksi.
• Prosessien suuri monimutkaisuus edellyttää yhteistyötä sellaisten toimittajien kanssa, joilla on kypsää teknistä asiantuntemusta.

Sovelluskentät