Что такое керамическая печатная плата и каковы типы керамических печатных плат?

Что такое Керамическая печатная плата?

Керамические печатные платы (PCB) — это печатные платы, в которых в качестве подложки используются керамические материалы. Они изготавливаются из керамических порошков (таких как оксид алюминия, нитрид алюминия или оксид бериллия) в сочетании с органическими связующими веществами.Их теплопроводность обычно составляет 9-20 Вт/м·К, что делает их отличным материалом для управления теплом. Они также имеют низкий коэффициент теплового расширения (КТР) и стабильные электрические характеристики. Они изготавливаются с использованием таких технологий, как лазерная металлизация (LAM), что делает их идеальными для электронных устройств, работающих в условиях высокой мощности, высокой частоты и высокой температуры.

Типы керамических ПХД

На основе систем материалов и производственных процессов керамические печатные платы в основном делятся на следующие типы:

1. HTCC (высокотемпературная керамика совместного обжига)

• Материалы: Керамика на основе глинозема с металлическими пастами из вольфрама/молибдена.
• Процесс: Совместная обжига в атмосфере водорода при температуре 1600–1700 °C в течение до 48 часов.
• Особенности сайтаВысокая структурная прочность и точность, подходит для высоконадежных аэрокосмических и военных применений.

2.LTCC (низкотемпературная керамика совместного обжига)

• МатериалыКристаллическое стекло + керамические композитные материалы с пастами на основе золота.
• Процесс: Спекание при температуре около 900 °C, с последующим ламинированием и формовкой.
• Особенности сайтаНизкая усадка и высокая механическая прочность, широко используется в радиочастотных модулях и датчиках.

3.Толстопленочная керамическая печатная плата

• Процесс: Трафаретная печать серебряных/золотых-палладиевых паст на керамические подложки с последующим высокотемпературным спеканием (≤1000 °C).
• Особенности сайта: Толщина проводящего слоя 10–13 мкм, поддерживает интеграцию пассивных компонентов, таких как резисторы и конденсаторы, подходит для сложных схемных конструкций.

4.Тонкопленочная керамическая печатная плата

• ПроцессФормирование металлических схем микронного уровня путем вакуумного напыления или распыления.
• Особенности сайтаВысокая точность схемы, идеально подходит для высокочастотных микроволновых схем.

5.DBC/DPC (медь с прямым соединением/медно-керамическая подложка с прямым покрытием)

• ПроцессПрямое приклеивание медной фольги к керамическим поверхностям при высоких температурах (DBC) или формирование схемы с помощью гальванического покрытия (DPC).
• Особенности сайтаОтличная теплопроводность и способность выдерживать ток, что делает их предпочтительным выбором для силовых полупроводников (например, IGBT) и светодиодного освещения.

Преимущества керамических печатных плат

1. Высокая теплопроводность:
   Теплопроводность значительно выше, чем у традиционных подложек FR-4 (например, нитрид алюминия может достигать 170-230 Вт/м·К), что позволяет эффективно решать проблему отвода тепла в устройствах высокой мощности.
2. Отличные высокочастотные характеристики:
   Низкие диэлектрические потери и стабильная диэлектрическая проницаемость, подходит для 5G, RF и микроволновой связи.
3. Высокотемпературная стабильность:
   Могут работать в условиях температуры выше 350 °C, что делает их идеальными для автомобильной электроники, аэрокосмической промышленности и других высокотемпературных применений.
4. Механическая и химическая прочность:
   Высокая механическая прочность, устойчивость к вибрации, коррозии и химической эрозии.
5. Стабильность размеров и низкий CTE:
   Коэффициент теплового расширения близок к коэффициенту теплового расширения кремниевых чипов, что снижает количество отказов соединений, вызванных тепловым напряжением.
6. Возможность интеграции с высокой плотностью:
   Поддерживает тонкую ширину линий, микровыступы и многослойную укладку, подходит для миниатюрных конструкций.

Процесс производства керамических печатных плат

1. Дизайн и макет:
   Проектирование схем с использованием программного обеспечения CAD, оптимизация теплового режима и целостности сигнала.
2. Подготовка субстрата:
   Керамические подложки (Al₂O₃, AlN, SiC и т. д.) разрезаются и полируются до требуемых размеров.
3. Осаждение проводящего слоя:
   Серебряная/золото-палладиевая проводящая паста наносится с помощью трафаретной печати или струйной технологии.
4. Бурение и заполнение:
   Лазерное или механическое сверление, с заполнением отверстий проводящими материалами для межслойных соединений.
5. Совместный обжиг и спекание:

• HTCC: спекание в водородной среде при температуре 1600–1700 °C.
• LTCC: низкотемпературное спекание при температуре около 900 °C.
  Многослойные схемы требуют укладки перед совместным обжигом.

1. Сборка и тестирование компонентов:
   SMD-компоненты распаиваются, после чего проводятся электрические, экологические и надежные испытания.
2. Защитное покрытие и упаковка:
   Для повышения устойчивости к воздействию окружающей среды наносятся защитные слои, после чего проводится окончательное функциональное тестирование и упаковка.

Когда следует выбирать керамические печатные платы?

Керамические печатные платы подходят для следующих сценариев:

• Устройства высокой мощности: Такие как модули IGBT, системы управления питанием и светодиодные автомобильные лампы.
• Высокочастотные приложенияБазовые станции 5G, радарные системы, спутниковая связь.
• Высокотемпературные средыУправление аэрокосмическими двигателями, автомобильная электроника.
• Требования к высокой надежностиМедицинские приборы (например, лазерные хирургические инструменты), военное оборудование.
• Химически агрессивные среды: Нефтеразведка, промышленная автоматизация.

Соображения:

• Керамические печатные платы относительно дороги, что делает их подходящими для высокопроизводительных, а не потребительских продуктов.
• При проектировании необходимо учитывать хрупкость материала, чтобы избежать концентрации механических напряжений.
• Высокая сложность процессов требует сотрудничества с поставщиками, обладающими развитым техническим опытом.

Поля применения