Vad är ett keramiskt kretskort och vilka typer av keramiska kretskort finns det?

Vad är en Keramisk kretskort?

Ceramic PCBs (printed circuit boards) are circuit boards that use ceramic materials as substrates. They are made using ceramic powders (like aluminum oxide, aluminum nitride, or beryllium oxide) combined with organic binders. Their thermal conductivity typically ranges between 9-20 W/m·K, which makes them excellent for managing heat. They also have a low coefficient of thermal expansion (CTE) and stable electrical characteristics. They’re made using techniques like Laser Activated Metallization (LAM), which makes them perfect for electronic devices that operate in high-power, high-frequency, and high-temperature environments.

Olika typer av keramiska mönsterkort

Baserat på materialsystem och tillverkningsprocesser kategoriseras keramiska mönsterkort främst i följande typer:

1. HTCC (keramik som bränns i hög temperatur)

• Material: Aluminiumoxidbaserad keramik med metallpasta av volfram/molybden.
• Process: Co-firing in a hydrogen atmosphere at 1600–1700°C for up to 48 hours.
• FunktionerHög strukturell styrka och precision, lämplig för flyg- och rymdtillämpningar med hög tillförlitlighet och militära tillämpningar.

2.LTCC (keramik med låg temperatur)

• MaterialKristallglas + keramiska kompositmaterial med guldbaserade pastor.
• Process: Sintering at approximately 900°C, followed by lamination and forming.
• FunktionerLåg krympningstolerans och hög mekanisk hållfasthet, används ofta i RF-moduler och sensorer.

3.Keramiskt kretskort med tjock film

• Process: Screen printing of silver/gold-palladium pastes onto ceramic substrates, followed by high-temperature sintering (≤1000°C).
• Funktioner: Conductor layer thickness of 10–13 μm, supports integration of passive components such as resistors and capacitors, suitable for complex circuit designs.

4.Keramiskt kretskort med tunn film

• ProcessBildning av metallkretsar på mikronivå genom vakuumdeposition eller sputtering.
• FunktionerHög kretsnoggrannhet, idealisk för högfrekventa mikrovågskretsar.

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

• ProcessDirekt limning av kopparfolie på keramiska ytor vid höga temperaturer (DBC) eller kretsbildning via elektroplätering (DPC).
• FunktionerUtmärkt värmeledningsförmåga och strömförande förmåga, vilket gör dem till förstahandsvalet för krafthalvledare (t.ex. IGBT) och LED-belysning.

Fördelar med keramiska mönsterkort

1. Hög värmeledningsförmåga:
   Thermal conductivity is much higher than traditional FR-4 substrates (e.g., aluminum nitride can reach 170-230W/m·K), effectively addressing heat dissipation in high-power devices.
2. Utmärkt högfrekvent prestanda:
   Låg dielektrisk förlust och stabil dielektrisk konstant, lämplig för 5G-, RF- och mikrovågskommunikation.
3. Stabilitet vid höga temperaturer:
   Can operate in environments above 350°C, making them ideal for automotive electronics, aerospace, and other high-temperature applications.
4. Mekanisk och kemisk beständighet:
   Hög mekanisk hållfasthet, motståndskraft mot vibrationer, korrosion och kemisk erosion.
5. Dimensionsstabilitet och låg CTE:
   Den termiska expansionskoefficienten ligger nära den för kiselchip, vilket minskar antalet anslutningsfel som orsakas av termisk stress.
6. Integrationsförmåga med hög densitet:
   Stöder fina linjebredder, mikrovias och stapling av flera lager, vilket är lämpligt för miniatyriserade konstruktioner.

Tillverkningsprocess för keramiska mönsterkort

1. Design och layout:
   Kretsdesign med hjälp av CAD-programvara, optimering av termisk hantering och signalintegritet.
2. Förberedelse av substrat:
   Ceramic substrates (Al₂O₃, AlN, SiC, etc.) are cut and polished to target dimensions.
3. Avsättning av ledande skikt:
   Ledande pasta av silver/guld/palladium appliceras med screentryck eller bläckstråleteknik.
4. Via borrning och fyllning:
   Laser- eller mekanisk borrning, med ledande material som fyller hålrummen för anslutningar mellan skikten.
5. Sambränning och sintring:

• HTCC: Sintered in a hydrogen environment at 1600-1700°C.
• LTCC: Low-temperature sintering at around 900°C.
  Flerskiktskretsar kräver stapling före sambränning.

1. Montering och testning av komponenter:
   SMD-komponenter löds fast, följt av elektriska tester, miljötester och tillförlitlighetstester.
2. Skyddande beläggning och förpackning:
   Skyddande skikt appliceras för att förbättra miljötåligheten, följt av slutlig funktionstestning och förpackning.

När ska man välja keramiska mönsterkort?

Keramiska mönsterkort är lämpliga för följande scenarier:

• Högeffektsapparater: Till exempel IGBT-moduler, krafthanteringssystem och LED-lampor för fordon.
• Högfrekventa tillämpningar5G-basstationer, radarsystem, satellitkommunikation.
• Miljöer med hög temperaturMotorstyrning för flyg- och rymdindustrin, fordonselektronik.
• Krav på hög tillförlitlighetMedicintekniska produkter (t.ex. kirurgiska instrument med laser), militär utrustning.
• Kemiskt korrosiva miljöer: Oljeprospektering, industriell automation.

Hänsyn för att minimera termisk chock:

• Keramiska mönsterkort är relativt dyra, vilket gör dem lämpliga för högpresterande behov snarare än för konsumentprodukter.
• Konstruktionen måste ta hänsyn till materialets sprödhet för att undvika mekanisk spänningskoncentration.
• Hög processkomplexitet kräver samarbete med leverantörer med gedigen teknisk expertis.

Tillämpningsområden