Co to jest ceramiczna płytka drukowana?

Ceramiczna płytka drukowana, która jest skrótem od ceramicznej płytki drukowanej, jest jednym z rodzajów zaawansowanych płytek drukowanych. Może oferować doskonałą wydajność i niezawodność, szczególnie w wysokowydajnych aplikacjach elektronicznych o surowych wymaganiach. W przeciwieństwie do tradycyjnych płytek drukowanych wykonanych z materiałów organicznych, takich jak włókno szklane lub żywica epoksydowa, ceramiczna płytka drukowana wykorzystuje materiały ceramiczne, które zapewniają wyjątkową wydajność i funkcje. Ze względu na wydajność rozpraszania ciepła, zdolność przenoszenia prądu, izolację i współczynnik rozszerzalności cieplnej ceramicznej płytki drukowanej, jest szeroko stosowany w modułach elektronicznych dużej mocy, lotnictwie i elektronice wojskowej. Ceramiczna płytka drukowana wykorzystuje klejenie do łączenia folii miedzianej i podłoża ceramicznego w wysokiej temperaturze. W tym przypadku ceramiczna płytka drukowana ma dużą siłę wiązania, folia miedziana nie odpada łatwo z wysoką niezawodnością i wysoką stabilnością działania w środowisku o wysokiej temperaturze i wilgotności.

Typowe materiały do ceramicznych płytek PCB

Do produkcji ceramicznych płytek PCB można użyć wielu materiałów. Wybierając materiał na ceramiczną płytkę drukowaną, projektant musi zwrócić uwagę na dwie podstawowe specyfikacje: przewodność cieplną PCB i współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE). Poniżej omówimy najpopularniejsze materiały do produkcji ceramicznych płytek drukowanych.

1. Tlenek glinu (Al2O3)

Tlenek glinu jest najczęściej stosowanym materiałem podłoża w podłożach ceramicznych, ponieważ ma wysoką wytrzymałość i stabilność chemiczną w porównaniu z większością innych ceramiki tlenkowej pod względem właściwości mechanicznych, termicznych i elektrycznych, a źródło surowca jest obfite, co nadaje się do różnych produkcji technicznych i różnych kształtów. W zależności od procentowej zawartości tlenku glinu (Al2O3) można go podzielić na 75 porcelanę, 96 porcelanę i 99,5 porcelanę. Różna zawartość tlenku glinu prawie nie ma wpływu na właściwości elektryczne, ale jego właściwości mechaniczne i przewodność cieplna znacznie się różnią. W podłożach o niskiej czystości występuje więcej faz szklanych, a chropowatość powierzchni jest duża. Im wyższa czystość podłoża, tym gładsze, gęstsze i mniejsze straty dielektryczne, ale tym wyższa cena.

2. BeO

Ma wyższą przewodność cieplną niż metaliczne aluminium i jest stosowany w sytuacjach, w których wymagana jest wysoka przewodność cieplna. Temperatura gwałtownie spada po przekroczeniu 300°C, ale jej rozwój jest ograniczony przez jej toksyczność.

3. AlN

Ceramika z azotku glinu to ceramika, w której główną fazą krystaliczną jest proszek azotku glinu. W porównaniu z podłożami ceramicznymi z tlenku glinu ma wyższą rezystancję izolacji i napięcie wytrzymywane izolacji oraz niższą stałą dielektryczną. Jego przewodność cieplna jest od 7 do 10 razy większa niż Al2O3, a jego współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) jest w przybliżeniu dopasowany do współczynnika wafli krzemowych, co ma kluczowe znaczenie dla chipów półprzewodnikowych dużej mocy. Jeśli chodzi o proces produkcji, na przewodność cieplną AlN duży wpływ ma resztkowa zawartość zanieczyszczeń tlenowych. Zmniejszenie zawartości tlenu może znacznie poprawić przewodność cieplną.

Ceramiczna płytka drukowana z dwóch stron

Rodzaje ceramicznych płytek drukowanych

Istnieją różne typy i specyfikacje ceramicznej płytki drukowanej, każdy typ jest zaprojektowany i używany w celu spełnienia określonych zastosowań i wymagań. Oto kilka popularnych typów ceramicznych płytek drukowanych;

1. Jednostronna ceramiczna płytka drukowana: Jest to podstawowa ceramiczna płytka drukowana, a na podłożu ceramicznym znajduje się jedna warstwa przewodząca. Jest zwykle używany w niektórych zastosowaniach, w których wymaga wysokiej przewodności cieplnej, ale nie wymaga skomplikowanego obwodu.
2. Wielowarstwowa płytka drukowana: Nadaje się do złożonych projektów obwodów, połączeń o dużej gęstości i aplikacji wymagających integralności sygnału
3. Grubowarstwowa płytka drukowana: Technologia grubowarstwowa służy do tworzenia śladów przewodzących i rezystancyjnych na ceramicznej płytce drukowanej. Grubowarstwowa płytka drukowana słynie ze swojej trwałości, może dobrze sprawdzać się w środowiskach motoryzacyjnych i przemysłowych oraz w innych zastosowaniach w trudnych warunkach.

Ceramiczne płytki PCB można również podzielić na różne typy w zależności od procesów produkcyjnych;

1. Płytka drukowana z miedzi powlekanej bezpośrednio (DPC): Jest to technologia przetwarzania obwodów ceramicznych opracowana w oparciu o obróbkę cienkowarstwową ceramiki. Jako podłoże obwodu stosuje się ceramikę z azotku glinu / tlenku glinu, warstwa metalu jest komponowana na powierzchni podłoża przez rozpylanie, a obwód jest formowany przez galwanizację i fotolitografię.
2. Płytka drukowana z metalizacją aktywacji laserowej (LAM): Ma wysoką precyzję i dobrą siłę wiązania. Warstwę przewodzącą można dostosować od 1 μm do 1 mm, a użycie czystej miedzi zamiast pasty srebrnej może rozwiązać problem przewodności otworów i siły wiązania, a ogólna wydajność jest bardziej stabilna.
3. Płytka drukowana z miedzi z wiązaniem bezpośrednim (DBC): Za pomocą metody DBC między miedź a ceramikę wprowadzana jest odpowiednia ilość tlenu przed lub w trakcie procesu osadzania. Ta metoda jest stosowana, gdy wymagane są duże grubości miedzi od 140um (4 uncje) do 350um (10 uncji).
4. Niskotemperaturowa współpalona ceramiczna płytka drukowana (LTCC): Technologia LTCC wykorzystuje tę samą metodę, co kondensatory do wytwarzania różnych urządzeń ceramicznych. Umieszcza się je w piecu do spiekania w temperaturze 850-900°C do formy. Aby uzyskać połączenie elektryczne między warstwami, przed drukowaniem należy wykraść otwory i wypełnić je pastą srebrną.
5. Wysokotemperaturowa współwypalana ceramiczna płytka drukowana (HTCC): Podczas procesu produkcyjnego materiał szklany nie będzie dodawany. Różnica między HTCC i LTCC polega na tym, że płytki PCB HTCC są wypalane w temperaturze około 1600–1700 °C w atmosferze gazowej. Płytki PCB HTCC mają tak wysoką temperaturę współspalania, że wykorzystują ścieżki obwodów wykonane z metali o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak wolfram, molibden lub mangan. W wysokich temperaturach, te płytki PCB mogą działać prawidłowo bez żadnych uszkodzeń, ponieważ są zaprojektowane do pracy nawet w trudnych warunkach.

 

Zalety ceramicznych płytek PCB

Ceramiczna płytka drukowana ma wiele zalet, które sprawiają, że jest to dobry wybór do zastosowań wymagających wysokiej wydajności, niezawodności i efektywności.

1. Wysoka przewodność cieplna: Materiały ceramiczne Al2O3, AlN, SiC i itp. mają doskonałą przewodność cieplną. Oznacza to, że ceramiczna płytka drukowana może skutecznie rozpraszać ciepło, aby uniknąć przegrzania i zapewnić, że urządzenia elektroniczne dużej mocy mogą działać normalnie i niezawodnie.
2. Doskonałe właściwości elektroniczne: Materiał ceramiczny ma niskie straty dielektryczne i dobre właściwości elektroniczne, szczególnie przy wysokiej częstotliwości. To sprawia, że ceramiczna płytka drukowana doskonale nadaje się do stosowania w obwodach radiowych, mikrofalowych i szybkich obwodach cyfrowych oraz podobnych zastosowaniach, ponieważ integralność sygnału i niskie straty sygnału są bardzo ważne.
3. Wytrzymałość mechaniczna i trwałość: w porównaniu z organiczną płytką drukowaną, ceramiczna płytka drukowana ma lepszą wytrzymałość mechaniczną i sztywność. Sztywność sprawia, że ceramiczna płytka drukowana może wytrzymać naprężenia mechaniczne, wstrząsy i wstrząsy oraz zapewnia, że ceramiczna płytka drukowana jest bardziej odpowiednia w trudnych warunkach.
4. Odporność chemiczna: Ceramika ma dużą odporność na chemikalia, roztwory, kwasy i zasady. Ta odporność sprawia, że ceramiczna płytka drukowana jest idealna do zastosowań w branżach, w których powszechne jest narażenie na chemikalia, takich jak sektor motoryzacyjny, lotniczy i przemysłowy.
5. Odporność na wysoką temperaturę: W porównaniu z tradycyjną organiczną płytką drukowaną, ceramiczna płytka drukowana może wytrzymać wyższą temperaturę, co jest bardzo ważne dla przemysłu motoryzacyjnego i lotniczego, ponieważ produkty elektroniczne muszą działać niezawodnie w wysokiej temperaturze.
6. Mniejszy rozmiar: Ceramiczna płytka drukowana może przyjąć drobny obwód, mniejsze komponenty i połączenia o dużej gęstości, dzięki czemu projektant może tworzyć kompaktowe projekty. Ta funkcja jest ważna w przypadku aplikacji, które wymagają mniejszego rozmiaru bez poświęcania wydajności.
7. Integralność sygnału: Ceramiczna płytka drukowana może zapewnić doskonałą integralność sygnału w oparciu o niskie straty dielektryczne i wysoką stałą dielektryczną, szczególnie przy wysokiej częstotliwości. Dzięki tej funkcji, ceramiczna płytka drukowana nadaje się do szybkiej transmisji danych i systemu komunikacji.
8. Kompatybilność z trudnymi warunkami: Ponieważ ceramika ma właściwości odporności na ciepło i chemikalia, może dobrze pracować w trudnych warunkach, na przykład podczas poszukiwania ropy naftowej i gazu, zastosowań lotniczych i wojskowych.
9. Niezawodność i długa żywotność: Połączenie wysokiej wydajności termicznej, wytrzymałości i odporności chemicznej przyczynia się do długoterminowej niezawodności ceramicznej płytki drukowanej, zmniejszając ryzyko awarii i wydłużając żywotność urządzeń elektronicznych.
10. Dostosowane dostępne: Ceramiczną płytkę drukowaną można dostosować do określonych wymagań projektowych, w tym materiału podstawowego, konfiguracji warstwy, układu, lokalizacji komponentów, co zapewnia projektantom optymalizację obwodu w oparciu o aplikację.
11. Wydajność EMI/EMC: Materiały ceramiczne z natury zapewniają lepszą odporność na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i kompatybilność elektromagnetyczną (EMC) ze względu na ich właściwości elektryczne i możliwości ekranowania

Ceramiczna płytka drukowana Widok z boku

Wady ceramicznej płytki drukowanej

Jak mówiliśmy powyżej, ceramiczna płytka drukowana ma wiele zalet w porównaniu z innymi płytkami drukowanymi, nadal istnieją pewne potencjalne wady, które należy wziąć pod uwagę.

1. Kruchy: Ze względu na oryginalne właściwości ceramiki jest ona krucha podczas przenoszenia, montażu i testowania. Dlatego kadra inżynierska musi zwrócić większą uwagę na ceramiczną płytkę drukowaną we wspomnianym procesie.
2. Rozważania dotyczące kosztów: Ceramika to materiał o rozsądnej cenie. Jednak po rozważeniu wszystkich czynników, nadal jest znacznie droższy niż tradycyjna płytka drukowana. Dlatego projektant musi rozważyć, czy jest to bardziej opłacalna opcja, aby wykonać ceramiczną płytkę drukowaną z projektu.

Zastosowanie ceramicznej płytki drukowanej

• Moduł elektroniczny dużej mocy, elementy baterii energii słonecznej
• Przełącznik zasilania wysokiej częstotliwości, przekaźniki półprzewodnikowe
• Elektronika samochodowa, lotnictwo i wojskowe produkty elektroniczne
• Produkty oświetleniowe LED o dużej mocy
• Antena telekomunikacyjna, samochodowa zapalniczka przeciwpożarowa

Ceramiczna płytka drukowana stała się idealnym wyborem do zastosowań o dużej mocy i wysokiej częstotliwości ze względu na doskonałą przewodność cieplną, wysoką stabilność i doskonałą wydajność. W dziedzinie 5G i nowej energii napędza technologię elektroniczną w kierunku bardziej wydajnym i niezawodnym oraz jest kluczowym materiałem dla przyszłej produkcji elektroniki wysokiej klasy.

Jerico PCB od 16 lat, od 2009 roku, głęboko pracuje w produkcji ceramicznych płytek drukowanych. Wsparliśmy setki projektów, od koncepcji, przez prototyp, po masową produkcję, dzięki naszej niezawodnej i wysokowydajnej usłudze produkcji ceramicznych płytek drukowanych w nowych obszarach energetycznych i telekomunikacyjnych. Wierzymy, że jeśli będziemy robić to, w czym jesteśmy dobrzy, z dnia na dzień będziemy coraz bardziej profesjonalni dzięki wsparciu i zaufaniu naszych klientów. Porozmawiajmy dziś o Twoim projekcie ceramicznej płytki drukowanej i zobaczmy, jak możemy przynieść Ci sukces.