什麼是陶瓷PCB？

陶瓷PCB，即陶瓷印刷電路板的簡稱，是一種先進的印刷電路板。它能在嚴格要求的高性能電子應用中提供卓越的性能和可靠性。與傳統由玻璃纖維或環氧樹脂等有機材料製成的電路板不同，陶瓷PCB採用陶瓷材料，賦予其獨特的性能和功能。由於其散熱性能、載流能力、絕緣性及熱膨脹係數等特性，陶瓷PCB被廣泛應用於高功率電子模組、航空航天和軍用電子領域。陶瓷PCB在高溫下利用鍵合技術將銅箔與陶瓷基板結合。如此一來，陶瓷PCB具有強大的結合力，銅箔不易脫落，可靠性高，且在高溫高濕環境下性能穩定性高。

陶瓷PCB的常用材料

許多材料可用於製造陶瓷PCB。在選擇陶瓷PCB材料時，設計師需要注意兩個基本規格：PCB的導熱係數和熱膨脹係數（CTE）。下面，我們來探討陶瓷PCB最常見的材料。

1. 氧化鋁（Al2O3）

氧化鋁是陶瓷基板中最常用的基板材料，因為與大多數其他氧化物陶瓷相比，它在機械、熱和電性能方面具有更高的強度和化學穩定性，且原料來源豐富，適合各種技術製造和不同形狀。根據氧化鋁（Al2O3）的百分比，可分為75瓷、96瓷和99.5瓷。電氣性能幾乎不受氧化鋁含量的影響，但其機械性能和導熱係數差異很大。低純度基板中含有較多玻璃相，表面粗糙度較大。基板純度越高，表面越光滑、緻密，介電損耗越低，但價格也越高。

2. 氧化鈹（BeO）

其導熱係數高於金屬鋁，適用於需要高導熱性的場合。超過300°C後溫度會迅速下降，但其發展受其毒性的限制。

3. 氮化鋁（AlN）

氮化鋁陶瓷是以氮化鋁粉末為主要晶相的陶瓷。與氧化鋁陶瓷基板相比，它具有更高的絕緣電阻和絕緣耐壓能力，以及更低的介電常數。其導熱係數是Al2O3的7至10倍，其熱膨脹係數（CTE）與矽晶圓大致匹配，這對於高功率半導體晶片至關重要。在生產工藝方面，AlN的導熱係數受殘餘氧雜質含量的影響很大。降低氧含量可以顯著提高導熱係數。

雙面陶瓷PCB

陶瓷PCB的類型

陶瓷PCB有多種類型和規格，每種類型的設計和使用都是為了滿足特定的應用和要求。以下是幾種常見的陶瓷PCB類型；

1. 單面陶瓷PCB：這是最基本的陶瓷PCB，在陶瓷基板上有一層導電層。它通常用於需要高導熱性但不需要複雜電路的應用中。
2. 多層PCB：適用於複雜電路設計、高密度互連以及需要信號完整性的應用。
3. 厚膜PCB：厚膜技術用於在陶瓷PCB上製作導電和電阻蹤跡。厚膜PCB以其耐用性著稱，在汽車和工業環境以及其他惡劣環境下的應用中表現出色。

陶瓷PCB也可以根據製造工藝分為不同類型；

1. 直接鍍銅（DPC）PCB：這是一種基於陶瓷薄膜加工技術開發的陶瓷電路加工技術。以氮化鋁/氧化鋁陶瓷作為電路基板，通過濺射在基板表面複合金屬層，並通過電鍍和光刻形成電路。
2. 雷射活化金屬化（LAM）PCB：具有高精度和良好的結合力。導電層可從1μm到1mm定制，使用純銅代替銀漿可以解決孔的導電性和結合力問題，整體性能更穩定。
3. 直接鍵合銅（DBC）PCB：使用DBC方法，在沉積過程之前或期間在銅和陶瓷之間引入適量的氧氣。當需要140um（4oz）-350um（10oz）的高銅厚度時，使用此方法。
4. 低溫共燒陶瓷（LTCC）PCB：LTCC技術使用與電容器相同的方法來製造各種陶瓷器件。它們在850-900°C的燒結爐中成型。為了實現層間的電氣互連，必須在印刷前打孔並填充銀漿。
5. 高溫共燒陶瓷（HTCC）PCB：在製造過程中，不會添加玻璃材料。HTCC與LTCC的區別在於HTCC PCB在約1600-1700°C的氣體環境中燒製。HTCC PCB具有如此高的共燒溫度，因此它們使用鎢、鉬或錳等高熔點金屬製成的電路蹤跡。在高溫下，這些PCB可以正常運作而不受損壞，因為它們即使在惡劣環境下也能運作。

 

陶瓷PCB的優點

陶瓷PCB具有多種優點，使其成為要求高性能、可靠性和效率的應用的理想選擇。

1. 高導熱性：Al2O3、AlN、SiC等陶瓷材料具有優異的導熱性。這意味著陶瓷PCB可以有效散熱，避免過熱，確保高功率電子設備能夠正常可靠地工作。
2. 優異的電氣性能：陶瓷材料具有低介電損耗和良好的電氣性能，尤其是在高頻下。這使得陶瓷PCB非常適合用於射頻、微波和高速數字電路等應用，因為信號完整性和低信號損耗非常重要。
3. 機械強度和耐用性：與有機PCB相比，陶瓷PCB具有更好的機械強度和剛性。剛性使得陶瓷PCB能夠承受機械應力、振動和衝擊，確保陶瓷PCB更適合在具有挑戰性的環境中使用。
4. 耐化學性：陶瓷對化學物質、溶液、酸和鹼具有很強的抗性。這種耐受性使陶瓷PCB成為經常接觸刺激性化學品的行業應用的理想選擇，例如汽車、航空航天和工業領域。
5. 耐高溫性：與傳統的有機PCB相比，陶瓷PCB可以承受更高的溫度，這對於汽車和航空航天行業非常重要，因為電子產品必須在高溫下可靠工作。
6. 尺寸更小：陶瓷PCB可以實現精細電路、更小的元件和高密度互連，因此設計師可以進行緊湊設計。對於需要在不犧牲性能的情況下減小尺寸的應用，此功能非常重要。
7. 信號完整性： 陶瓷PCB基於其低介電損耗和高介電常數，可以確保出色的信號完整性，尤其是在高頻下。憑藉此特性，陶瓷PCB適用於高速數據傳輸和通信系統。
8. 惡劣環境適應性：由於陶瓷具有耐熱、耐化學品等特性，它可以在惡劣環境下良好工作，例如石油和天然氣勘探、航空航天和軍事應用。
9. 可靠性和長使用壽命：高性能熱性能、堅固性和耐化學性的結合有助於陶瓷PCB的長期可靠性，降低故障風險並延長電子設備的使用壽命。
10. 可定制性：陶瓷PCB可以根據特定設計要求進行定制，包括基材、層配置、佈局、元件位置，確保設計師可以根據應用優化電路。
11. EMI/EMC性能：陶瓷材料因其電氣特性和屏蔽能力，天生具有更好的電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）性能。

陶瓷PCB側視圖

陶瓷PCB的缺點

如上所述，陶瓷PCB與其他PCB相比具有許多優點，但仍有一些潛在的缺點需要考慮。

1. 易碎性：由於陶瓷的固有特性，在搬運、組裝過程和測試過程中容易碎裂。因此，工程技術人員在上述過程中需要對陶瓷PCB格外小心。
2. 成本考量：陶瓷本身是一種價格合理的材料。然而，綜合考慮所有因素後，它仍然比傳統PCB貴得多。因此，設計師需要考慮採用陶瓷PCB設計是否是一個更具成本效益的選擇。

陶瓷PCB的應用

• 大功率電子模組、太陽能電池元件
• 高頻功率開關、固態繼電器
• 汽車電子、航空航天和軍用電子產品
• 大功率LED照明產品
• 電信天線、汽車點火器

陶瓷PCB憑藉其優異的導熱性、高穩定性和卓越的性能，已成為高功率和高頻應用的理想選擇。在5G和新興能源領域，它正推動電子技術向更高效、更可靠的方向發展，是未來高端電子製造的關鍵材料。

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