Что такое керамическая печатная плата?

Керамическая печатная плата, сокращенно от ceramic printed circuit board, — это один из видов передовых печатных плат. Она может обеспечивать превосходную производительность и надежность, особенно в высокопроизводительных электронных приложениях со строгими требованиями. В отличие от традиционных печатных плат, изготовленных из органических материалов, таких как стекловолокно или эпоксидная смола, керамическая печатная плата использует керамические материалы, которые придают ей уникальные характеристики и функции. Благодаря своим характеристикам теплоотвода, токонесущей способности, изоляции и коэффициенту теплового расширения, керамическая печатная плата широко применяется в мощных электронных модулях, аэрокосмической и военной электронике. Керамическая печатная плата использует пайку для соединения медной фольги и керамической подложки при высокой температуре. В этом случае керамическая печатная плата обладает сильной связующей силой, медная фольга легко не отслаивается при высокой надежности и высокой стабильности производительности в условиях высокой температуры и влажности.

Распространенные материалы для керамических печатных плат

Для изготовления керамических печатных плат может использоваться множество материалов. При выборе материала для керамической печатной платы дизайнер должен обращать внимание на два основных параметра: теплопроводность печатной платы и коэффициент теплового расширения (CTE). Ниже мы рассмотрим наиболее распространенные материалы для керамических печатных плат.

1. Оксид алюминия (Al2O3)

Оксид алюминия является наиболее широко используемым материалом подложки в керамических подложках, поскольку он обладает высокой прочностью и химической стабильностью по сравнению с большинством других оксидных керамик по механическим, термическим и электрическим свойствам, а источник сырья обилен, что подходит для различных технических производств и форм. В зависимости от процентного содержания оксида алюминия (Al2O3) он может быть разделен на 75-процентный фарфор, 96-процентный фарфор и 99,5-процентный фарфор. Электрические свойства почти не зависят от различного содержания оксида алюминия, но его механические свойства и теплопроводность сильно варьируются. В подложках с низкой чистотой больше стеклянной фазы, и шероховатость поверхности велика. Чем выше чистота подложки, тем она глаже, плотнее и тем меньше диэлектрические потери, но выше цена.

2. BeO

Он обладает более высокой теплопроводностью, чем металлический алюминий, и используется в ситуациях, где требуется высокая теплопроводность. Температура быстро падает после достижения 300°C, но его развитие ограничено его токсичностью.

3. AlN

Керамика из нитрида алюминия — это керамика, основным кристаллическим фазовым компонентом которой является порошок нитрида алюминия. По сравнению с керамическими подложками из оксида алюминия, она обладает более высоким удельным сопротивлением и напряжением пробоя изоляции, а также более низкой диэлектрической проницаемостью. Ее теплопроводность в 7–10 раз выше, чем у Al2O3, а коэффициент теплового расширения (CTE) примерно соответствует коэффициенту теплового расширения кремниевых пластин, что имеет решающее значение для мощных полупроводниковых чипов. В производственном процессе теплопроводность AlN в значительной степени зависит от содержания остаточных кислородных примесей. Снижение содержания кислорода может значительно повысить теплопроводность.

Керамическая печатная плата с двух сторон

Типы керамических печатных плат

Существуют различные типы и спецификации керамических печатных плат, каждый тип разработан и используется для удовлетворения конкретных применений и требований. Вот некоторые распространенные типы керамических печатных плат:

1. Односторонняя керамическая печатная плата:Это базовая керамическая печатная плата, имеющая один проводящий слой на керамической подложке. Она обычно используется в некоторых приложениях, требующих высокой теплопроводности, но не сложных схем.
2. Многослойная печатная плата:Она подходит для сложных схем, межсоединений высокой плотности и приложений, требующих целостности сигнала.
3. Печатная плата с толстым слоем:Технология толстого слоя используется для создания проводящих и резистивных дорожек на керамической печатной плате. Керамическая печатная плата со всеми слоями известна своей долговечностью, она хорошо работает в автомобильной и промышленной среде, а также в других приложениях в суровых условиях.

Керамические печатные платы также можно разделить на различные типы в зависимости от производственных процессов:

1. Печатная плата с прямым нанесением меди (DPC):Это технология обработки керамических схем, разработанная на основе обработки тонких керамических пленок. В качестве подложки схемы используются керамика из нитрида алюминия/оксида алюминия, слой металла композируется на поверхности подложки методом напыления, а схема формируется гальваническим покрытием и фотолитографией.
2. Печатная плата с лазерной активационной металлизацией (LAM):Она отличается высокой точностью и хорошей прочностью сцепления. Проводящий слой может быть настроен от 1 мкм до 1 мм, а использование чистой меди вместо серебряной пасты решает проблему проводимости отверстий и прочности сцепления, а общая производительность более стабильна.
3. Печатная плата с прямой сваркой меди (DBC):Используя метод DBC, соответствующее количество кислорода вводится между медью и керамикой до или во время процесса нанесения покрытия. Этот метод используется, когда требуются высокие толщины меди от 140 мкм (4 унции) до 350 мкм (10 унций).
4. Печатная плата с низкотемпературной совместной сваркой керамики (LTCC):Технология LTCC использует тот же метод, что и конденсаторы, для изготовления различных керамических устройств. Они помещаются в спекательную печь при температуре 850–900°C для формирования. Для достижения электрического соединения между слоями необходимо пробить отверстия перед печатью и заполнить их серебряной пастой.
5. Печатная плата с высокотемпературной совместной сваркой керамики (HTCC):В процессе производства стекломатериал не добавляется. Отличие HTCC от LTCC заключается в том, что печатные платы HTCC выпекаются при температуре около 1600–1700 °C в газовой среде. Печатные платы HTCC имеют такую высокую температуру совместной сварки, что используют проводящие дорожки из тугоплавких металлов, таких как вольфрам, молибден или марганец. При высоких температурах эти печатные платы могут функционировать должным образом без каких-либо повреждений, поскольку они спроектированы для работы даже в суровых условиях.

 

Преимущества керамических печатных плат

Керамические печатные платы имеют ряд преимуществ, которые делают их хорошим выбором для приложений, требующих высокой производительности, надежности и эффективности.

1. Высокая теплопроводность:Керамические материалы, такие как Al2O3, AlN, SiC и т. д., обладают отличной теплопроводностью. Это означает, что керамическая печатная плата может эффективно рассеивать тепло, предотвращая перегрев и обеспечивая нормальную и надежную работу мощных электронных устройств.
2. Отличные электрические характеристики:Керамический материал имеет низкие диэлектрические потери и хорошие электрические свойства, особенно на высоких частотах. Это делает керамические печатные платы очень подходящими для использования в радиочастотных, микроволновых и высокоскоростных цифровых схемах и аналогичных приложениях, поскольку целостность сигнала и низкие потери сигнала очень важны.
3. Механическая прочность и долговечность:По сравнению с органическими печатными платами, керамические печатные платы обладают лучшей механической прочностью и жесткостью. Жесткость позволяет керамической печатной плате выдерживать механические нагрузки, вибрации и удары, обеспечивая ее большую пригодность для работы в сложных условиях.
4. Химическая стойкость:Керамика обладает высокой стойкостью к химическим веществам, растворам, кислотам и щелочам. Эта стойкость делает керамические печатные платы идеальными для применения в отраслях, где часто встречается воздействие агрессивных химикатов, таких как автомобильная, аэрокосмическая и промышленная сферы.
5. Высокая термостойкость:По сравнению с традиционными органическими печатными платами, керамические печатные платы выдерживают более высокие температуры, что очень важно для автомобильной и аэрокосмической промышленности, поскольку электронные продукты должны надежно работать при высоких температурах.
6. Меньший размер:Керамические печатные платы позволяют создавать тонкие схемы, использовать меньшие компоненты и межсоединения высокой плотности, что позволяет разработчикам создавать компактные конструкции. Эта особенность важна для приложений, требующих меньшего размера без ущерба для производительности.
7. Целостность сигнала: Керамическая печатная плата обеспечивает превосходную целостность сигнала благодаря низким диэлектрическим потерям и высокой диэлектрической проницаемости, особенно на высоких частотах. Благодаря этой особенности керамическая печатная плата подходит для высокоскоростной передачи данных и систем связи.
8. Совместимость с суровыми условиями эксплуатации:Благодаря своим свойствам термостойкости и химической стойкости керамика хорошо работает в суровых условиях, например, при разведке нефти и газа, в аэрокосмической и военной промышленности.
9. Надежность и длительный срок службы:Сочетание высокой теплопроизводительности, прочности и химической стойкости способствует длительной надежности керамических печатных плат, снижая риск отказов и продлевая срок службы электронных устройств.
10. Возможность индивидуального изготовления:Керамические печатные платы могут быть изготовлены по индивидуальному заказу для соответствия конкретным требованиям к дизайну, включая базовый материал, конфигурацию слоев, компоновку, расположение компонентов, что гарантирует возможность оптимизации схем разработчиками в зависимости от применения.
11. Производительность EMI/EMC:Керамические материалы по своей природе обладают лучшей производительностью в отношении электромагнитных помех (EMI) и электромагнитной совместимости (EMC) благодаря своим электрическим свойствам и возможностям экранирования.

Вид сбоку на керамическую печатную плату

Недостатки керамических печатных плат

Как мы уже говорили, керамические печатные платы имеют много преимуществ по сравнению с другими печатными платами, но все же существуют некоторые потенциальные недостатки, которые следует учитывать.

1. Хрупкость:Из-за первоначальных свойств керамики она хрупка во время обращения, сборки и тестирования. Поэтому инженерный персонал должен уделять больше внимания керамическим печатным платам в указанных процессах.
2. Стоимость:Керамика — это материал с разумной ценой. Однако, учитывая все факторы, он все же значительно дороже традиционных печатных плат. Поэтому дизайнер должен рассмотреть, является ли разработка керамической печатной платы более экономически эффективным вариантом.

Применение керамических печатных плат

• Мощные электронные модули, компоненты солнечных батарей
• Высокочастотные силовые переключатели, твердотельные реле
• Автомобильная, аэрокосмическая и военная электроника
• Мощные светодиодные осветительные приборы
• Телекоммуникационные антенны, автомобильные воспламенители

Керамические печатные платы стали идеальным выбором для мощных и высокочастотных приложений благодаря своей превосходной теплопроводности, высокой стабильности и отличной производительности. В областях 5G и новой энергетики они продвигают электронные технологии в более эффективном и надежном направлении и являются ключевым материалом для будущего производства высокотехнологичной электроники.

Jerico PCB глубоко занимается производством керамических печатных плат уже 16 лет, с 2009 года. Мы поддержали сотни проектов от концепции до прототипа и массового производства с нашим надежным и высокопроизводительным сервисом изготовления керамических печатных плат в области новой энергетики и телекоммуникаций. Мы верим, что если мы будем делать то, в чем мы хороши, мы будем становиться более профессиональными день ото дня благодаря поддержке и доверию наших клиентов. Давайте обсудим ваш проект керамической печатной платы сегодня и посмотрим, как мы можем помочь вам добиться успеха.