Керамична печатна плоча

Какво е керамична PCB?

Керамична печатна плоча е твърда печатна платка, която използва керамични материали като изолационни подложки, като алуминиев оксид Al₂O₃, алуминиев нитрид AlN, силициев нитрид Si₃N₄ и др., и е покрит с медна фолиа, образувайки проводими вериги. Принадлежи към висококласовите специални PCB. Основната характеристика е, че топлопроводността, изолацията и устойчивостта при високи температури далеч надминават тези на традиционните FR-4 PCB.

Като висококачествена специална PCB, основните предимства на керамичната PCB са концентрирани в ключови параметри като топлоотвеждане, термична устойчивост, изолация и стабилност, както следва:

· Върховно представяне при топлоотвеждане:

Топлопроводимостта на керамичните субстрати (особено нитрид на алуминий) може да достигне 170–230 W/(m · K), което е повече от 500 пъти в сравнение с традиционните FR-4 PCB (около 0,3 W/(m · K)). Това позволява бързо отвеждане на топлината, генерирана от високомощни устройства, ефективно намаляване на повишаването на температурата и избягване на топлинни повреди. Съвместима е със сценарии с висока плътност на топлинния поток, като IGBT модули и високомощни LED.

· Изключително висока термична устойчивост:

Дългосрочната работна температура може да надхвърли 200℃, а краткосрочно може да издържи до 500℃, което е значително по-добре в сравнение с FR-4 PCB (≤130℃). Подходяща е за екстремни температурни среди като аерокосмическата и индустриално оборудване за високи температури, без причиняване на деформация или стареене на основата поради високи температури.

· Изключителна изолационна устойчивост:

Напрежение на пробив ≥10 kV/мм, изолационните свойства значително надхвърлят тези на FR-4 PCB, могат да работят стабилно във вериги с високо напрежение, избягват риска от теч и пробив и отговарят на изискванията за изолационна безопасност на зарядни колонки и високоволтово индустриално управление на оборудване.

· Добра топлинна съвместимост:

Коефициентът на топлинно разширение на керамичните подложи е близо до този на полупроводниковите чипове, което може да намали топлинния стрес, причинен от промени в температурата, и да понижи риска от пукване и отлепяне при свързващата точка между чипа и основата и повишава надеждността и срока на служба на опаковката на устройството.

· Химическа и околната стабилност:

Устойчив на киселини, алкални вещества, радиация и корозия. Производителността му не намалява в сурови условия като влага, силни електромагнитни полета и радиация. Подходящ е за специални сценарии като аерокосмическа, морска разузнаване и оборудване за ядрената промишленост.

· Висока механична якост:

Керамичните субстрати имат висока твърдост и добра устойчивост на удар. Особено керамичните платки от силициев нитрид, които издържат на механични напрежения като вибрации и сблъсъци, което ги прави подходящи за често вибриращи работни условия в превозни средства и релсов транспорт.

· Ниски диелектрични загуби:

Керамичните материали имат стабилна диелектрична константа и ниски диелектрични загуби, което води до малки загуби при предаване на сигнали във високочестотни вериги. Подходящи са за високочестотни приложения като СВЧ модули за 5G базови станции и радарно оборудване. модули и радарно оборудване.

Процесът на производство на керамични платки се различава от процеса на гравиране на традиционните FR-4 PCB. Основният акцент е върху надеждното съединение между керамичните субстрати и медните слоеве. Основните процеси могат да бъдат класифицирани в следните категории, като всеки от тях притежава собствени технически характеристики и области на приложение:

Процес с директно ламиниране с медна фолиа

· Основен принцип: Медната фолиа и керамичната подложа от алуминиев оксид/алуминиев нитрид се подлагат на евтектично заваряване при високи температури. Медно-кислородно-керамичната евтектична реакция, за да се създаде металургично свързващ слой, осигуряващ здраво съединение между медта и керамиката.

· Стъпки от процеса : Почистване на керамична подложка → рязане на медна фолиа → Ламинация на мед и керамика → високотемпературно вакуумно евтектично спояване → охлаждане → Травене на веригата → инспекция на готовия продукт.

· Основни характеристики:

Висока адхезия, изключителна топлопроводност (без междинен слой за залепване);

Дебелината на медния слой има широк диапазон от опции (0,1 до 3 мм) и позволява проектирането на дебели медни вериги.

Има добра устойчивост на високи температури и термичен удар, подходящ за високомощни устройства.

Недостатъци: Висока температура на спояване, строги изисквания към оборудването, подходящ само за алумина и алуминиев нитрид, несъвместим със силициев нитрид.

Приложими сценарии: Подложки за IGBT модули, силови модули за зарядни станции, подложки за високомощни LED.

Процес на активно метално запояване

· Основен принцип: Между медната фолиа и керамичната подложка се добавя припой, съдържащ активни метали като титан и цирконий. Във вакуумна среда при температура от 800 до 950℃, активните метали встъпват в химическа реакция с повърхността на керамиката, образувайки химични връзки, докато припоят се стопява и свързва медната фолиа с керамиката.

· Етапи на процеса: Предварителна обработка на керамичната подложка → Нанасяне на припой → Слойно пресоване на медна фолиа и керамика → Вакуумно запояване → Обработка на веригата → Последваща обработка.

· Основни характеристики:

Има голяма адаптивност и може да се използва за всички видове керамични подложки, като алумина, нитрид на алуминий, нитрид на силиций и др.

Температурата на спечелване е по-ниска в сравнение с DBC, което причинява по-малко повреждания на керамичната подложка.

Висока якост на свързване и отлична устойчивост на цикли на студено и горещо (без повреди след ≥1000 цикъла при -40 до 150℃).

Недостатъци: Разходите за припоя при запояване са високи, а сложността на процеса е по-голяма в сравнение с DBC.

Приложими сценарии: Платки от силициев нитрид за аерокосмическа промишленост, високонадеждни силови субстрати за превозни средства.

Процес с дебел филм

· Основен принцип: Метална паста (сребро, мед, сплав от паладий и сребро) се нанася върху повърхността на керамичния субстрат чрез офсетно печатане. След синтероване при висока температура, металната паста се затвърдява и образува проводими вериги, което елиминира необходимостта от нанасяне на медна фолиа.

· Етапи на процеса: Почистване на керамичен субстрат → Офсетно печатане на метална паста → сушене → синтероване при висока температура → многократно печатане/синтероване (загряване на веригата според изискванията) → Печатане на изолационен слой (ако са необходими няколко слоя) → инспекция на крайния продукт.

· Основни характеристики:

Процесът е гъвкав, позволява производството на тънки вериги и поддържа проводи от няколко слоя.

Той има сравнително ниска цена и е подходящ за производство в малки серии и по поръчка.

Недостатъци: Топлопроводността на веригата е по-ниска в сравнение с процеса с медно покритие, пастата от мес е склонна към окисляване, а надеждността е малко по-ниска.

Области на приложение: Платки за малки сензори, високочестотни керамични платки за медицинско оборудване, керамични субстрати за ниски класове.

Процес с ниска температура на съвместно спечелване

· Основен принцип: Керамичният прах се смесва с органични свързващи вещества, за да се получат сурови керамични ленти. Пробиват се отвори и се пълнят с метална паста (сребро, мес) върху суровите керамични ленти, за да се образуват вериги/преходи. След като няколко слоя сурови керамични ленти се наслагват, те се спечелят заедно при ниска температура, за да се получат многослойни керамични платки наведнъж.

· Етапи на процеса: Подготвяне на сурови порцеланови ленти → Пробиване → Пълнене с метална паста → Ламинация и наслагване → Съвместно спечелване при ниска температура → Повърхностно металосъдържание → Проверка на готовия продукт.

· Основни характеристики:

Може да осъществи високоплътна многослойна окабеляване и да интегрира пасивни компоненти (резистори, кондензатори) в субстрата.

Висока размерна точност, с коефициент на топлинно разширение, съвпадащ с този на полупроводниковите чипове;

Недостатъци: сложен процес, дълъг цикъл, висока цена и ограничена дебелина на линиите.

Приложими сценарии: RF модули за 5G базови станции, миниатюрни керамични платки за аерокосмическа промишленост, високочестотни комуникационни устройства.

Процес с високотемпературно съвместно спечелване на керамика

· Основен принцип: Подобно на LTCC, но използва чиста керамична прах, като температурата на спечелване е толкова висока – 1500 до 1600°C, а металната паста използва метали с висока топка на топене, като волфрам и молибден.

· Основни характеристики:

Керамиката има висока плътност, а нейната механична якост и устойчивост на високи температури далеч надхвърлят тези на LTCC.

Недостатъци: Температурата на спечелване е изключително висока, проводимостта на металната паста е слаба, а цената е висока.

Применяеми ситуации: Екстремни високотемпературни среди, керамични платки за ядрени индустриални устройства.

Керамичните PCB платки, благодарение на отличната си топлопроводност, устойчивост на високи температури и изолация, се използват основно във висококласови приложения със строги изисквания за отвеждане на топлина и надеждност. Основните области и конкретни приложения са следните:

В областта на новите енергийни превозни средства

· Основни компоненти: Модул на зарядна колона, бордов инвертор, контролер на мотор, високоволтово табло на системата за управление на батерията, драйверна подложка на LED фарове.

· Причини за приложение:

Може да пренася големи токове, бързо отвежда топлината, издържа на променящата се висока и ниска температурна среда в превозните средства, осигурява стабилна работа на силовите устройства и отговаря на изключително високите изисквания за топлопроводимост на PCB въз основа на керамика от нитрид на алуминий. изисквания за топлопроводимост на PCB въз основа на керамика от нитрид на алуминий.

Областта на полупроводниците и силовите устройства

· Основни компоненти: Подложка за IGBT модули, подложка за MOSFET опаковки, подложка за отвеждане на топлина от високомощни LED, подложка за опаковане на лазерни диоди, подложка за RF усилватели на мощност.

· Причини за приложение: Коефициентът на топлинно разширение на керамичните подложки съответства на този на полупроводниковите чипове, което намалява топлинното напрежение и свързаните с него повреди. Топлопроводимостта им е значително по-висока в сравнение с FR-4, като по този начин се решава проблемът с отвеждането на топлината при високомощни устройства. Сред тях, PCB с керамични подложки чрез дебелоплечен процес са подходящи за изискванията за масово производство на LED.

Области на аерокосмическата и военната индустрия

· Основни компоненти: Модул за захранване на бордовия радар, платка за разпределение на захранването в сателита, контролна платка за ракетния двигател, платка за системата за насочване на ракета, платка за задвижване с висока мощност на безпилотен летателен апарат.

· Причини за приложение:

Керамични PCB от силициев нитрид (Si₃N₄) или чрез HTCC процес са устойчиви на екстремни температури, вибрации, удар и радиация, което ги прави подходящи за тежки работни условия в аерокосмическата и военната индустрия. продукти.

Област на медицинското оборудване

· Основни компоненти: Високочестотна електрохирургическа скалпелна подложка за захранване, платка за градиентен усилвател при ядрен магнитен резонанс (MRI), контролна платка за лазерно лечение, модул за високонапрежно захранване на вентилатор.

· Причини за приложение:

Висока изолационна якост (избягване на риск от теч), устойчивост на високи температури, стабилна предавателна способност на сигнала, отговаря на стандарти за безопасност и надеждност на медицинските устройства, добра цена-качество на алуминиев оксид керамичната PCB е подходяща за конвенционални медицински сценарии.

Областта на промишления контрол и високотехнологично оборудване

· Основни компоненти: Субстрат за високочестотни индукционни нагревателни уреди, силов блок на преобразувателя, платка за сервоуправление на промишлен робот, сигнализационна платка за високотемпературен сензор, силова платка за фотогалваничен инвертор.

· Причини за приложение:

Устойчив на високи температури, влажност и вибрации в промишлени среди, високата топлопроводимост на керамичните PCBs по DBC/AMB процес осигурява дългосрочна стабилна работа на високомощни промишлено контролно оборудване.

Областта на 5G комуникациите и радиочестотите

· Основни компоненти: rF мощностен модул за 5G базова станция, субстрат за милиметрови радари, високочестотна платка за оборудване за спътникова връзка.

· Причини за приложение:

LTCC процесът за керамични PCBs позволява висока плътност на интеграция и вграждане на пасивни компоненти, с ниски диелектрични загуби, подходящ за предаване на високочестотни сигнали и едновременно отговаря на изискванията за отвеждане на топлината от силовите устройства на базовата станция.

Специални области с екстремни среди

· Основни компоненти: Контролна платка за ядрено промишлено оборудване, платка за дълбоководен изследователски робот, субстрат за сензор на високотемпературна промишлена пещ.

· Причини за приложение:

Керамичните платки са устойчиви на радиация, корозия и високи температури. Техните характеристики не намаляват в екстремни условия като ядрена радиация, големи налягания в дълбокото море и високи температури платките от оксид на берилий са подходящи за приложения в ядрената промишленост.