PCB ceràmic

Què és un PCB ceràmic?

PCB ceràmic és un circuit imprès rígid que utilitza materials ceràmics com a substrats aïllants, com l'òxid d'alumini Al₂O₃, el nitrur d'alumini AlN, el nitrur de silici Si₃N₄, etc., i que està recobert amb fulles de coure per formar circuits conductors conductors. Pertany als PCB especials d'alta gamma. La característica principal és que la seva conductivitat tèrmica, aïllament i resistència a altes temperatures supera en gran mesura la dels PCB tradicionals FR-4.

Com a PCB especial d'alta gamma, les principals avantatges de la PCB ceràmica es concentren en dimensions clau com la dissipació de calor, resistència tèrmica, aïllament i estabilitat, tal com es mostra a continuació:

· Rendiment màxim en dissipació de calor:

La conductivitat tèrmica dels substrats ceràmics (especialment el nitrur d'alumini) pot arribar a 170-230 W/(m · K), més de 500 vegades superior a la de les PCB tradicionals FR-4 (aproximadament 0,3 W/(m · K)). Pot conduir ràpidament la calor generada per dispositius d'alta potència, reduint eficaçment l'augment de temperatura dels dispositius i evitant fallades tèrmiques. És compatible amb escenaris d'alta densitat de flux tèrmic com els mòduls IGBT i els LED d'alta potència. dispositius d'alta potència, reduint eficaçment l'augment de temperatura dels dispositius i evitant fallades tèrmiques. És compatible amb escenaris d'alta densitat de flux tèrmic com els mòduls IGBT i els LED d'alta potència.

· Resistència tèrmica ultraelevada:

La temperatura de funcionament prolongat pot superar els 200 °C, i temporalment pot suportar fins a 500 °C, molt superior a la PCB FR-4 (≤130 °C). Pot adaptar-se a entorns de temperatura extrema com l'aeroespacial i equips industrials d'alta temperatura sense causar deformació o envelliment del substrat degut a altes temperatures.

· Excel·lent resistència a l'aïllament:

Tensió de ruptura ≥10 kV/mm, el rendiment d'aïllament supera amb escreix el de les PCB FR-4, pot funcionar de manera estable en circuits d'alta tensió, evita riscos de fuites i ruptures, i compleix els requisits de seguretat d'aïllament dels punts de càrrega i equips d' control industrial d'alta tensió.

· Bon compatibilitat tèrmica:

El coeficient d'expansió tèrmica dels substrats ceràmics és proper al del xips semiconductors, cosa que pot reduir l'esforç tèrmic causat per canvis de temperatura, disminuint el risc de fissuració i desprendiment a la connexió entre el xip i el substrat, i millorar la fiabilitat i la vida útil de l'envasat del dispositiu.

· Estabilitat química i ambiental:

Resistent a àcids i alcalis, radiació i corrosió. El seu rendiment no disminueix en ambients agressius com l'humitat, els camps electromagnètics forts i la radiació. És adequat per a escenaris especials com l'aeroespacial, la exploració marina i l'equipament de la indústria nuclear.

· Alta resistència mecànica:

Els substrats ceràmics tenen una gran duresa i una forta resistència als impactes. Especialment el circuit de ceràmica de nitrur de silici, que pot suportar esforços mecànics com vibracions i col·lisions, cosa que els fa adequats per a condicions de treball amb freqüents vibracions en vehicles i transport ferroviari.

· Baixa pèrdua dielèctrica:

Els materials ceràmics tenen una constant dielèctrica estable i una baixa pèrdua dielèctrica, cosa que comporta una petita pèrdua de transmissió del senyal en circuits d'alta freqüència. Són adequats per a aplicacions d'alta freqüència com els mòduls RF de les estacions base 5G i equipaments de radar.

El procés de fabricació dels circuits de ceràmica és diferent del procés de gravat dels circuits FR-4 tradicionals. El nucli es centra en la combinació fiable entre substrats ceràmics i capes de coure. Els processos principals es poden classificar en les categories següents, cadascun amb les seves pròpies característiques tècniques i escenaris d'aplicació:

Procés de laminació directa amb coure

· Principi fonamental: La làmina de coure i el substrat ceràmic d'òxid d'alumini/nitrur d'alumini es sotmeten a una soldadura eutèctica a altes temperatures. L'eutèctic coure-oxigen-ceràmic per formar una capa de vinculació metal·lúrgica, aconseguint una unió fermada entre el coure i la ceràmica.

· Passos del procés : Neteges del substrat ceràmic → tall de full de coure → laminació de coure i ceràmic → sinterització eutèctica en buit a alta temperatura → refredament → gravat del circuit → inspecció del producte acabat.

· Característiques principals:

Alta resistència d'unió, excel·lent conductivitat tèrmica (sense cap capa intermèdia de unió);

El gruix de la capa de coure té un ampli rang d'opcions (de 0,1 a 3 mm) i permet el disseny de circuits de coure gruixut.

Té una bona resistència a altes temperatures i a xocs tèrmics, i és adequat per a dispositius d’alta potència.

Inconvenients: Temperatura de sinterització elevada, requisits estrictes pel que fa a l'equipament, només adequat per a ceràmiques d'òxid d'alumini i nitrur d'alumini, incompatible amb el nitrur de silici.

Escenaris d'aplicació: Substrats per a mòduls IGBT, mòduls de potència per a piles de càrrega, substrats per a LEDs d'alta potència.

Procés de soldadura amb metall actiu

· Principi fonamental: Entre la làmina de coure i el substrat ceràmic, s'afegeix una soldadura que conté metalls actius com el titani i el zirconi. En un entorn de buit a temperatures de 800 a 950 °C, els metalls actius reaccionen químicament amb la superfície ceràmica formant enllaços químics, mentre que la soldadura es fon per unir la làmina de coure i el ceràmic. la soldadura es fon per unir la làmina de coure i el substrat ceràmic.

· Passos del procés: Pret tractament del substrat ceràmic → Aplicació de la soldadura → Apilat de la làmina de coure i el ceràmic → Soldadura en buit → Procés del circuit → Post tractament.

· Característiques principals:

Té una gran adaptabilitat i es pot utilitzar en tots els tipus de substrats ceràmics, com ara alumina, nitrur d'alumini, nitrur de silici, etc.

La temperatura de sinterització és més baixa que en el DBC, cosa que provoca menys danys al substrat ceràmic.

Alta resistència a l'adhesió i excel·lent resistència als cicles de fred i calor (sense fallades després de ≥1000 cicles a -40 a 150 °C).

Inconvenients: El cost de la soldadura és elevat i la complexitat del procés és més alta que en el DBC.

Escenaris d'aplicació: PCBs ceràmiques de nitrur de silici per a l'aeroespacial, substrats de potència d'alta fiabilitat per a vehicles.

Procés de capa gruixuda

· Principi fonamental: La pasta metàl·lica (plata, coure, aliatge de pal·ladi-plata) s'aplica sobre la superfície del substrat ceràmic mitjançant serigrafia. Després de la sinterització a alta temperatura, la pasta metàl·lica es solidifica per formar circuits conductors, eliminant la necessitat d'un recobriment de full de coure.

· Passos del procés: Neteja del substrat ceràmic → Impressió serigràfica de pasta metàl·lica → assecat → sinterització a alta temperatura → múltiples impressió/sinterització (engruixint el circuit segons calgui) → Impressió de la capa aïllant (si es necessiten múltiples capes) necessàries) → inspecció del producte acabat.

· Característiques principals:

El procés és flexible, capaç de fabricar circuits fins i suportar cablejat multicapa.

Té un cost relativament baix i és adequat per a producció en petites sèries i personalitzada.

Desavantatges: La conductivitat tèrmica del circuit és més baixa que la del procés amb cobre recobert, la pasta de coure és propensa a l'oxidació i la fiabilitat és lleugerament inferior.

Escenaris d'aplicació: Plaques de circuit per a sensors petits, PCB ceràmic d'alta freqüència per a equips mèdics, substrats ceràmics d'baixa gamma.

Procés ceràmic de cofocció a baixa temperatura

· Principi fonamental: El pols ceràmic es barreja amb aglutinants orgànics per formar tapes ceràmiques en brut. S'hi fan forats i s'omple amb pasta metàl·lica (plata, coure) a les tapes ceràmiques en brut per formar circuits/vies. Després d'apilar múltiples capes de tapes ceràmiques en brut es cofoquen a baixa temperatura per formar PCBs ceràmics multilayer d'una sola vegada.

· Passos del procés: Preparació de tires de porcellana en brut → Perforació → Ompliment amb pasta metàl·lica → laminació i apilament → cofocció a baixa temperatura → metal·lització superficial → inspecció del producte acabat.

· Característiques principals:

Pot assolir un cablejat multilayer d'alta densitat i integrar components passius (resistències, condensadors) dins el substrat.

Alta precisió dimensional, amb un coeficient d'expansió tèrmica que coincideix amb el dels xips semiconductors;

Inconvenients: procés complex, cicle llarg, cost elevat i gruix de línia limitat.

Escenaris d'aplicació: mòduls RF d'estacions base 5G, circuits impresos ceràmics miniaturitzats per a l'espai aeri, equips de comunicació d'alta freqüència.

Procés ceràmic de cofognitura a alta temperatura

· Principi fonamental: Similar a LTCC, però utilitzant pols ceràmic pur, la temperatura de sinterització és tan elevada com 1500 a 1600 °C, i la pasta metàl·lica utilitza metalls d'alt punt de fusió com el tungstè i el molibdè.

· Característiques principals:

La ceràmica té una alta densitat, i la seva resistència mecànica i resistència a altes temperatures supera amb escreix la de LTCC.

Desavantatges: La temperatura de sinterització és extremadament elevada, la conductivitat de la pasta metàl·lica és pobra i el cost és elevat.

Escenaris Aplicables: Ambients d'alta temperatura extrema, circuits impresos ceràmics per a equips de la indústria nuclear.

Els circuits impressos ceràmics, amb la seva excel·lent conductivitat tèrmica, resistència a altes temperatures i aïllament, s'apliquen principalment en escenaris d'alta gamma amb requisits estrictes de dissipació de calor i fiabilitat. Els camps principals i aplicacions concretes són els següents:

En el camp dels vehicles d'energia nova

· Components principals: Mòdul d'alimentació del punt de càrrega, inversor a bord, controlador del motor, placa alta tensió del sistema de gestió de la bateria, substrat del conductor de la llum LED del vehicle.

· Raons d'aplicació:

Pot suportar corrents elevats, dissipar ràpidament la calor, resistir l'entorn de temperatures altes i baixes alternants en vehicles, assegurar el funcionament estable dels dispositius d'alimentació i complir els requisits d'alta conductivitat tèrmica requisits de conductivitat tèrmica ultra elevada dels PCB ceràmics de nitrur d'alumini.

El camp dels semiconductors i dispositius d'alimentació

· Components principals: Substrat de mòdul IGBT, substrat d'encapsulat MOSFET, substrat de dissipació de calor per LED d'alta potència, substrat d'encapsulat de làser de diode, substrat d'amplificador de potència RF.

· Raons d'aplicació: El coeficient d'expansió tèrmica dels substrats ceràmics coincideix amb el dels xips semiconductors, reduint l'error per estrès tèrmic. La seva conductivitat tèrmica supera de lluny la de l'FR-4, resolent el problema de dissipació de calor dels dispositius d'alta potència. D'entre ells, els circuits imprés sobre substrat ceràmic mitjançant procés de pellícula gruixuda són adequats per a les necessitats de producció massiva de LEDs.

Camps d'aviació espacial i indústria militar

· Components principals: Mòdul de potència de radar aerotransportat, placa de distribució d'energia de satèl·lit, placa de control del motor de coet, placa de circuit del sistema de guiatge de míssil, placa de control de motor d'alta potència per a vehicle aeri no tripulat.

· Raons d'aplicació:

Els circuits imprés ceràmics de nitrur de silici (Si₃N₄) o mitjançant procés HTCC són resistents a temperatures extremes, vibracions, xocs i radiació, sent adequats per a condicions de treball severes en aplicacions aeroespacials i militars indústries.

El camp de l'equipament mèdic

· Components principals: Substrat de potència per a ganivet electroquirúrgic d'alta freqüència, placa amplificadora de gradient de ressonància magnètica (RNM), placa de control d'equip de tractament làser, mòdul d'alimentació d'alta tensió per a ventilador.

· Raons d'aplicació:

Alta resistència d'aïllament (evitant el risc de fuites), alta resistència a la temperatura, transmissió estable del senyal, compleix els estàndards de seguretat i fiabilitat dels equips mèdics, la relació qualitat-preu de la ceràmica d'alumina la PCB ceràmica és adequada per a escenaris mèdics convencionals.

El camp del control industrial i l'equipament d'alta gamma

· Components principals: Substrat d'equips de calor inducció d'alta freqüència, unitat de potència de convertidor de freqüència, placa controladora del servomotor del robot industrial, placa de senyal del sensor d'alta temperatura, placa de potència de l'inversor fotovoltaic.

· Raons d'aplicació:

Resistent a altes temperatures, humitat i vibracions en entorns industrials, la gran conductivitat tèrmica de les PCB ceràmiques de procés DBC/AMB assegura el funcionament estable a llarg termini dels equips industrials d'alta potència d'equipaments de control industrial.

El camp de les comunicacions 5G i la radiofreqüència

· Components principals: mòdul de potència RF d'estació base 5G, substrat de radar d'ones mil·limètriques, placa d'alta freqüència per a equips de comunicacions per satèl·lit.

· Raons d'aplicació:

Els circuits de ceràmica LTCC poden assolir una integració d'alta densitat i l'incrustació de components passius, amb baixa pèrdua dielèctrica, adequats per a la transmissió de senyals d'alta freqüència, i al mateix temps satisfan els requisits de dissipació de calor dels dispositius de potència de les estacions base. requisits de dissipació de calor dels dispositius de potència de les estacions base.

Àmbits d'entorns extrems especials

· Components principals: Placa de control d'equips per a la indústria nuclear, placa de circuit de robot d'exploració submarina, substrat de sensor de forn industrial a alta temperatura.

· Raons d'aplicació:

Els circuits de ceràmica són resistents a la radiació, la corrosió i les altes temperatures. El seu rendiment no disminueix en entorns extrems com la radiació nuclear, l'alta pressió submarina o els forns a alta temperatura. els circuits de ceràmica d'òxid de beril·li són adequats per a escenaris de la indústria nuclear.