Wat is een keramische printplaat en wat zijn de soorten keramische printplaten?

Wat is een Keramische printplaat?

Keramische PCB's (printplaten) zijn printplaten die keramische materialen als substraat gebruiken. Ze worden gemaakt met behulp van keramische poeders (zoals aluminiumoxide, aluminiumnitride of berylliumoxide) in combinatie met organische bindmiddelen.Hun thermische geleidbaarheid ligt doorgaans tussen 9-20 W/m·K, waardoor ze uitstekend geschikt zijn voor warmtebeheer. Ze hebben ook een lage thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) en stabiele elektrische eigenschappen. Ze worden gemaakt met behulp van technieken zoals Laser Activated Metallization (LAM), waardoor ze perfect zijn voor elektronische apparaten die werken in omgevingen met een hoog vermogen, hoge frequentie en hoge temperatuur.

Soorten keramische PCB's

Op basis van materiaalsystemen en productieprocessen worden keramische PCB's voornamelijk ingedeeld in de volgende types:

1. HTCC (hoge temperatuur keramiek)

• Materialen: Keramiek op basis van aluminiumoxide met wolfraam/molybdeen metaalpasta's.
• Proces: Co-verbranding in een waterstofatmosfeer bij 1600–1700 °C gedurende maximaal 48 uur.
• KenmerkenHoge structurele sterkte en precisie, geschikt voor zeer betrouwbare luchtvaart- en militaire toepassingen.

2.LTCC (lage temperatuur keramiek)

• MaterialenKristalglas + keramische composietmaterialen met goudgebaseerde pasta's.
• Proces: Sinteren bij ongeveer 900 °C, gevolgd door lamineren en vormen.
• KenmerkenLage krimptolerantie en hoge mechanische sterkte, veel gebruikt in RF-modules en sensoren.

3.Dik-film keramische PCB

• Proces: Zeefdrukken van zilver/goud-palladiumpasta's op keramische substraten, gevolgd door sinteren bij hoge temperatuur (≤1000 °C).
• Kenmerken: Geleiderlaagdikte van 10–13 μm, ondersteunt integratie van passieve componenten zoals weerstanden en condensatoren, geschikt voor complexe circuitontwerpen.

4.Dunne-film keramische PCB

• ProcesVorming van metalen circuits op microniveau door vacuümdepositie of sputtering.
• KenmerkenHoge circuitprecisie, ideaal voor hoogfrequente microgolfschakelingen.

5.DBC/DPC (Direct gebonden koper/direct geplateerd koper keramisch substraat)

• ProcesDirect hechten van koperfolie op keramische oppervlakken bij hoge temperaturen (DBC) of circuitvorming via galvaniseren (DPC).
• KenmerkenUitstekende thermische geleidbaarheid en stroomvoerend vermogen, waardoor ze de voorkeur genieten voor vermogenshalfgeleiders (bv. IGBT's) en LED-verlichting.

Voordelen van keramische PCB's

1. Hoge thermische geleidbaarheid:
   De thermische geleidbaarheid is veel hoger dan die van traditionele FR-4-substraten (aluminiumnitride kan bijvoorbeeld 170-230 W/m·K bereiken), waardoor warmteafvoer in apparaten met een hoog vermogen effectief wordt aangepakt.
2. Uitstekende prestaties bij hoge frequenties:
   Laag diëlektrisch verlies en stabiele diëlektrische constante, geschikt voor 5G, RF en microgolfcommunicatie.
3. Stabiliteit bij hoge temperatuur:
   Kan worden gebruikt in omgevingen met temperaturen boven 350 °C, waardoor het ideaal is voor auto-elektronica, lucht- en ruimtevaart en andere toepassingen bij hoge temperaturen.
4. Mechanische en chemische duurzaamheid:
   Hoge mechanische sterkte, bestand tegen trillingen, corrosie en chemische erosie.
5. Dimensionale stabiliteit en lage CTE:
   De thermische uitzettingscoëfficiënt ligt dicht bij die van siliciumchips, waardoor verbindingsfouten door thermische stress worden verminderd.
6. Integratiemogelijkheden met hoge dichtheid:
   Ondersteunt fijne lijndiktes, microvia's en stapelen van meerdere lagen, geschikt voor geminiaturiseerde ontwerpen.

Productieproces van keramische PCB's

1. Ontwerp en lay-out:
   Circuitontwerp met CAD-software, optimalisatie van thermisch beheer en signaalintegriteit.
2. Substraatvoorbereiding:
   Keramische substraten (Al₂O₃, AlN, SiC, enz.) worden gesneden en gepolijst tot de gewenste afmetingen.
3. Depositie van geleidende lagen:
   Zilver/goud-palladium geleidende pasta wordt aangebracht via zeefdruk of inkjettechnologie.
4. Via boren en vullen:
   Laser of mechanisch boren, waarbij geleidende materialen de vias vullen voor verbindingen tussen de lagen.
5. Co-firing en sinteren:

• HTCC: Gesinterd in een waterstofomgeving bij 1600-1700 °C.
• LTCC: Sinteren bij lage temperatuur, ongeveer 900 °C.
  Meerlagige circuits moeten gestapeld worden voor het meestoken.

1. Assemblage en testen van onderdelen:
   SMD-componenten worden gesoldeerd, gevolgd door elektrische, omgevings- en betrouwbaarheidstests.
2. Beschermende coating en verpakking:
   Er worden beschermende lagen aangebracht om de weerstand tegen omgevingsinvloeden te verbeteren, gevolgd door functionele tests en verpakking.

Wanneer kiezen voor keramische PCB's?

Keramische PCB's zijn geschikt voor de volgende scenario's:

• Apparaten met hoog vermogen: Zoals IGBT-modules, energiebeheersystemen en LED-verlichting voor auto's.
• Toepassingen voor hoge frequenties5G-basisstations, radarsystemen, satellietcommunicatie.
• Omgevingen met hoge temperaturenMotorbesturingen voor de ruimtevaart, elektronica voor de auto-industrie.
• Eisen voor hoge betrouwbaarheidMedische apparatuur (bijv. laserchirurgische instrumenten), militaire apparatuur.
• Chemisch corrosieve omgevingen: Olie-exploratie, industriële automatisering.

Overwegingen:

• Keramische PCB's zijn relatief duur, waardoor ze eerder geschikt zijn voor krachtige toepassingen dan voor consumentenproducten.
• In ontwerpen moet rekening worden gehouden met de brosheid van het materiaal om mechanische spanningsconcentratie te voorkomen.
• Een hoge complexiteit van de processen vereist samenwerking met leveranciers met volwassen technische expertise.

Toepassingsvelden