Qu'est-ce qu'un circuit imprimé en céramique et quels sont les différents types de circuits imprimés en céramique ?

Qu'est-ce qu'un PCB en céramique?

Les circuits imprimés en céramique (PCB) sont des circuits imprimés qui utilisent des matériaux céramiques comme substrats. Ils sont fabriqués à partir de poudres céramiques (comme l'oxyde d'aluminium, le nitrure d'aluminium ou l'oxyde de béryllium) combinées à des liants organiques.Leur conductivité thermique varie généralement entre 9 et 20 W/m·K, ce qui les rend excellents pour la gestion de la chaleur. Ils ont également un faible coefficient de dilatation thermique (CTE) et des caractéristiques électriques stables. Ils sont fabriqués à l'aide de techniques telles que la métallisation activée par laser (LAM), ce qui les rend parfaits pour les appareils électroniques fonctionnant dans des environnements à haute puissance, haute fréquence et haute température.

Types de circuits imprimés en céramique

En fonction des systèmes de matériaux et des processus de fabrication, les PCB en céramique sont principalement classés dans les catégories suivantes :

1. HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)

• Matériaux: Céramiques à base d'alumine avec des pâtes métalliques de tungstène/molybdène.
• Processus: Co-cuisson dans une atmosphère d'hydrogène à 1600-1700 °C pendant une durée maximale de 48 heures.
• CaractéristiquesRésistance structurelle et précision élevées, adaptées aux applications aérospatiales et militaires à haute fiabilité.

2.LTCC (céramique cuite à basse température)

• MatériauxMatériaux composites verre cristal + céramique avec des pâtes à base d'or.
• Processus: Frittage à environ 900 °C, suivi d'un laminage et d'un formage.
• CaractéristiquesFaible tolérance au rétrécissement et résistance mécanique élevée, largement utilisé dans les modules RF et les capteurs.

3.Circuit imprimé en céramique à couche épaisse

• Processus: Sérigraphie de pâtes d'argent/d'or-palladium sur des substrats céramiques, suivie d'un frittage à haute température (≤1000 °C).
• Caractéristiques: Épaisseur de la couche conductrice de 10 à 13 μm, prend en charge l'intégration de composants passifs tels que des résistances et des condensateurs, convient aux conceptions de circuits complexes.

4.Circuits imprimés en céramique à couche mince

• ProcessusFormation de circuits métalliques de l'ordre du micron par dépôt sous vide ou par pulvérisation cathodique.
• CaractéristiquesHaute précision des circuits, idéal pour les circuits micro-ondes à haute fréquence.

5.DBC/DPC (Direct Bonded Copper/Direct Plated Copper Ceramic Substrate)

• ProcessusCollage direct de feuilles de cuivre sur des surfaces céramiques à haute température (DBC) ou formation de circuits par galvanoplastie (DPC).
• CaractéristiquesExcellente conductivité thermique et capacité de transport de courant, ce qui en fait le choix privilégié pour les semi-conducteurs de puissance (par exemple, les IGBT) et l'éclairage par LED.

Avantages des circuits imprimés en céramique

1. Conductivité thermique élevée:
   La conductivité thermique est bien supérieure à celle des substrats FR-4 traditionnels (par exemple, le nitrure d'aluminium peut atteindre 170-230 W/m·K), ce qui permet de résoudre efficacement le problème de dissipation thermique dans les appareils à haute puissance.
2. Excellentes performances en haute fréquence:
   Faible perte diélectrique et constante diélectrique stable, adaptée aux communications 5G, RF et micro-ondes.
3. Stabilité à haute température:
   Peut fonctionner dans des environnements à plus de 350 °C, ce qui le rend idéal pour l'électronique automobile, l'aérospatiale et d'autres applications à haute température.
4. Durabilité mécanique et chimique:
   Haute résistance mécanique, résistance aux vibrations, à la corrosion et à l'érosion chimique.
5. Stabilité dimensionnelle et faible CTE:
   Le coefficient de dilatation thermique est proche de celui des puces en silicium, ce qui réduit les défaillances de connexion dues aux contraintes thermiques.
6. Capacité d'intégration à haute densité:
   Prend en charge les lignes de faible largeur, les microvias et l'empilage de plusieurs couches, ce qui convient aux conceptions miniaturisées.

Processus de fabrication des circuits imprimés en céramique

1. Conception et mise en page:
   Conception de circuits à l'aide de logiciels de CAO, optimisation de la gestion thermique et de l'intégrité des signaux.
2. Préparation du substrat:
   Les substrats céramiques (Al₂O₃, AlN, SiC, etc.) sont découpés et polis aux dimensions souhaitées.
3. Dépôt de couches conductrices:
   La pâte conductrice argent/or-palladium est appliquée par sérigraphie ou par jet d'encre.
4. Via Drilling and Filling:
   Perçage au laser ou mécanique, avec des matériaux conducteurs remplissant les trous pour les connexions entre les couches.
5. Co-cuisson et frittage:

• HTCC : Fritté dans un environnement hydrogène à une température comprise entre 1600 et 1700 °C.
• LTCC : Frittage à basse température, à environ 900 °C.
  Les circuits multicouches doivent être empilés avant la co-cuisson.

1. Assemblage et test des composants:
   Les composants SMD sont soudés, puis soumis à des tests électriques, environnementaux et de fiabilité.
2. Revêtement et emballage protecteur:
   Des couches protectrices sont appliquées pour améliorer la résistance à l'environnement, suivies de tests fonctionnels finaux et de l'emballage.

Quand choisir des circuits imprimés en céramique ?

Les circuits imprimés en céramique conviennent aux scénarios suivants :

• Dispositifs de haute puissance: Tels que les modules IGBT, les systèmes de gestion de l'énergie et les éclairages automobiles LED.
• Applications haute fréquenceStations de base 5G, systèmes radar, communications par satellite.
• Environnements à haute températureCommandes de moteurs pour l'aérospatiale, électronique pour l'automobile.
• Exigences en matière de haute fiabilitéDispositifs médicaux (par exemple, instruments chirurgicaux à laser), équipements militaires.
• Environnements chimiquement corrosifs: Exploration pétrolière, automatisation industrielle.

Considérations:

• Les circuits imprimés en céramique sont relativement coûteux, ce qui les rend plus adaptés aux besoins de haute performance qu'aux produits grand public.
• Les conceptions doivent tenir compte de la fragilité des matériaux afin d'éviter la concentration des contraintes mécaniques.
• La grande complexité des processus nécessite une collaboration avec des fournisseurs disposant d'une expertise technique approfondie.

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