Что такое керамическая печатная плата?

Керамическая печатная плата (Ceramic PCB) – это современный тип печатных плат, обеспечивающий исключительную производительность и надежность, особенно в требовательных высокопроизводительных электронных приложениях. В отличие от традиционных плат из органических материалов, таких как стекловолокно или эпоксидная смола, керамические PCB используют керамические материалы, которые придают уникальные свойства и функциональность. Благодаря отличному рассеиванию тепла, высокой токопроводящей способности, превосходной изоляции и низкому коэффициенту теплового расширения, керамические платы широко применяются в мощных электронных модулях, аэрокосмической и военной электронике. Керамические PCB производятся путем соединения медной фольги с керамической подложкой при высокой температуре. Это обеспечивает прочное соединение: медная фольга не отслаивается, что гарантирует высокую надежность и стабильность характеристик в условиях высоких температур и влажности.

Распространенные материалы для керамических печатных плат

Для производства керамических PCB используется множество материалов. При выборе материала разработчику необходимо учитывать два основных параметра: теплопроводность платы и коэффициент теплового расширения (КТР). Ниже мы рассмотрим наиболее распространенные материалы для керамических PCB.

1. Оксид алюминия (Al2O3)

Оксид алюминия является наиболее часто используемым материалом подложки в керамических платах благодаря своей высокой прочности и химической стабильности по сравнению с большинством других оксидных керамик с точки зрения механических, термических и электрических свойств. Сырье широко доступно, что делает его пригодным для различных технологических процессов и форм. В зависимости от процентного содержания оксида алюминия (Al2O3) различают 75-процентный, 96-процентный и 99,5-процентный фарфор. Электрические свойства почти не зависят от содержания оксида алюминия, однако механические свойства и теплопроводность сильно различаются. Подложки с низкой чистотой содержат больше стеклофазы и имеют высокую шероховатость поверхности. Чем выше чистота подложки, тем она глаже, плотнее и ниже диэлектрические потери, но тем выше цена.

2. Оксид бериллия (BeO)

Обладает более высокой теплопроводностью, чем металлический алюминий, и используется в случаях, требующих высокой теплопроводности. Показатели резко снижаются при температуре выше 300°C, однако его применение ограничено из-за токсичности.

3. Нитрид алюминия (AlN)

Нитрид алюминия – это керамика, основным кристаллическим компонентом которой является порошок нитрида алюминия. По сравнению с подложками из оксида алюминия, он обладает более высоким сопротивлением изоляции и пробивным напряжением, а также более низкой диэлектрической проницаемостью. Его теплопроводность в 7-10 раз выше, чем у Al2O3, а коэффициент теплового расширения (КТР) примерно соответствует КТР кремниевых пластин, что имеет решающее значение для мощных полупроводниковых чипов. Что касается производственного процесса, на теплопроводность AlN сильно влияет остаточное содержание примесей кислорода. Снижение содержания кислорода может значительно улучшить теплопроводность.

Двухсторонняя керамическая PCB

Типы керамических печатных плат

Существуют различные типы и спецификации керамических PCB. Каждый тип разработан и используется для удовлетворения конкретных применений и требований. Вот некоторые распространенные типы керамических PCB:

1. Односторонняя керамическая PCB:Это базовый тип керамической платы, на подложке которого имеется один проводящий слой. Обычно используется в приложениях, требующих высокой теплопроводности, но не требующих сложных схем.
2. Многослойная PCB:Подходит для сложных схем, межсоединений высокой плотности и приложений, требующих целостности сигнала.
3. Толстопленочная PCB:Для создания проводящих и резистивных дорожек на керамической плате используется толстопленочная технология. Толстопленочные PCB славятся своей долговечностью и хорошо работают в автомобильной, промышленной и других средах с суровыми условиями эксплуатации.

Керамические PCB также можно разделить на различные типы в зависимости от технологического процесса производства:

1. PCB с прямым осаждением меди (DPC):Это технология обработки керамических схем, разработанная на основе тонкопленочной обработки керамики. В качестве подложки схемы используется керамика из нитрида/оксида алюминия, на поверхность которой методом распыления наносится металлический слой, а схема формируется с помощью гальваники и фотолитографии.
2. PCB с лазерной активацией металлизации (LAM):Отличается высокой точностью и хорошей прочностью соединения. Толщина проводящего слоя может варьироваться от 1 мкм до 1 мм. Использование чистой меди вместо серебряной пасты позволяет решить проблемы токопроводимости отверстий и прочности соединения, делая общую производительность более стабильной.
3. PCB с прямым соединением меди (DBC):При использовании метода DBC между медью и керамикой до или во время процесса осаждения вводится необходимое количество кислорода. Этот метод используется, когда требуется высокая толщина меди: от 140 мкм (4 унции) до 350 мкм (10 унций).
4. PCB на основе низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC):Технология LTCC использует тот же метод, что и при производстве конденсаторов, для создания различных керамических устройств. Они формируются в спекательной печи при температуре 850-900°C. Для обеспечения электрической взаимосвязи между слоями перед печатью пробиваются отверстия и заполняются серебряной пастой.
5. PCB на основе высокотемпературной совместно обжигаемой керамики (HTCC):В процессе производства стеклянный материал не добавляется. Разница между HTCC и LTCC заключается в том, что HTCC платы обжигаются при температуре около 1600–1700 °C в газовой среде. Из-за такой высокой температуры совместного обжига, в HTCC PCB используются токопроводящие дорожки из тугоплавких металлов, таких как вольфрам, молибден или марганец. Эти платы могут без повреждений работать при высоких температурах, так как разработаны для эксплуатации даже в суровых условиях.

 

Преимущества керамических печатных плат

Керамические PCB имеют множество преимуществ, что делает их отличным выбором для приложений, требующих высокой производительности, надежности и эффективности.

1. Высокая теплопроводность:Такие керамические материалы, как Al2O3, AlN, SiC и другие, обладают превосходной теплопроводностью. Это означает, что керамические PCB могут эффективно рассеивать тепло, предотвращая перегрев и обеспечивая нормальную и надежную работу мощных электронных устройств.
2. Отличные электрические свойства:Керамический материал имеет низкие диэлектрические потери и отличные электрические характеристики, особенно на высоких частотах. Это делает керамические PCB очень подходящими для использования в радиочастотных, микроволновых и высокоскоростных цифровых схемах и подобных приложениях, где целостность сигнала и низкие потери сигнала очень важны.
3. Механическая прочность и долговечность:По сравнению с органическими PCB, керамические платы обладают лучшей механической прочностью и жесткостью. Жесткость позволяет керамическим PCB выдерживать механические нагрузки, вибрации и удары, что делает их более пригодными для сложных условий эксплуатации.
4. Химическая стойкость:Керамика обладает высокой устойчивостью к химическим веществам, растворам, кислотам и щелочам. Это делает керамические PCB идеальными для применений в отраслях, где часто встречается воздействие агрессивных химических веществ, таких как автомобильная, аэрокосмическая и промышленная отрасли.
5. Термостойкость:По сравнению с традиционными органическими PCB, керамические платы выдерживают более высокие температуры, что очень важно для автомобильной и аэрокосмической промышленности, где электроника должна надежно работать при высоких температурах.
6. Меньший размер:Керамические PCB позволяют создавать тонкие дорожки, использовать более мелкие компоненты и межсоединения высокой плотности, что дает разработчикам возможность создавать компактные конструкции. Эта особенность важна для приложений, требующих меньшего размера без ущерба для производительности.
7. Целостность сигнала: Керамическая PCB обеспечивает отличную целостность сигнала благодаря низким диэлектрическим потерям и высокой диэлектрической проницаемости, особенно на высоких частотах. Это делает керамические PCB пригодными для высокоскоростной передачи данных и систем связи.
8. Совместимость с суровыми условиями эксплуатации:Благодаря своей термо- и химической стойкости, керамика хорошо работает в суровых условиях, например, при добыче нефти и газа, в аэрокосмической и военной сферах.
9. Надежность и длительный срок службы:Сочетание высокой тепловой производительности, прочности и химической стойкости обеспечивает долговременную надежность керамических PCB, снижая риск отказов и продлевая срок службы электронных устройств.
10. Возможность индивидуальной настройки:Керамические PCB могут быть изготовлены по индивидуальному заказу для удовлетворения конкретных требований проекта, включая базовый материал, конфигурацию слоев, трассировку и расположение компонентов, что позволяет разработчикам оптимизировать схему под конкретное применение.
11. ЭМС/ЭМП характеристики:Керамические материалы благодаря своим электрическим свойствам и экранирующим способностям обеспечивают лучшие характеристики по электромагнитным помехам (EMI) и электромагнитной совместимости (EMC).

Керамическая печатная плата, вид сбоку

Недостатки керамических печатных плат

Как мы говорили выше, у керамических PCB есть много преимуществ по сравнению с другими платами, однако существуют и некоторые потенциальные недостатки, которые необходимо учитывать.

1. Хрупкость:Из-за свойств керамики, она хрупкая и может быть повреждена при обращении, сборке и тестировании. Поэтому инженерному персоналу необходимо уделять больше внимания керамическим PCB в упомянутых процессах.
2. Стоимость:Керамика сама по себе является материалом с разумной ценой. Однако, учитывая все факторы, керамические PCB все еще значительно дороже традиционных. Поэтому разработчику необходимо оценить, является ли изготовление керамической PCB более экономически эффективным решением для его проекта.

Применение керамических печатных плат

• Мощные электронные модули, компоненты солнечных батарей
• Высокочастотные силовые ключи, твердотельные реле
• Автомобильная электроника, аэрокосмическая и военная электронная продукция
• Светодиодные осветительные приборы высокой мощности
• Телекоммуникационные антенны, автомобильные системы зажигания

Керамические PCB стали идеальным выбором для мощных и высокочастотных применений благодаря своей превосходной теплопроводности, высокой стабильности и отличным характеристикам. В областях 5G и новой энергетики они продвигают электронные технологии в сторону большей эффективности и надежности, являясь ключевым материалом для будущего высокотехнологичного электронного производства.

Компания Jerico PCB уже 16 лет, с 2009 года, специализируется на производстве керамических печатных плат. Мы помогли сотням проектов пройти путь от концепции до прототипа и серийного производства, используя наши надежные и высокопроизводительные услуги по изготовлению керамических PCB в сферах новой энергетики и телекоммуникаций. Мы верим, что, делая то, что умеем лучше всего, мы становимся все более профессиональными с каждым днем благодаря поддержке и доверию наших клиентов. Давайте обсудим ваш проект керамической PCB сегодня и посмотрим, как мы можем привести вас к успеху.