PCB ceramic

Ce este o placă PCB ceramică?

PCB ceramic este un circuit imprimat rigid care utilizează materiale ceramice ca substraturi izolante, cum ar fi oxidul de aluminiu Al₂O₃, nitrida de aluminiu AlN, nitrida de siliciu Si₃N₄ etc., și este acoperit cu folie de cupru pentru a forma circuite conductrice. Face parte din categoria PCB-urilor speciale de înaltă gamă. Caracteristica principală este faptul că conductivitatea termică, izolația și rezistența la temperaturi ridicate depășesc cu mult cele ale PCB-urilor tradiționale FR-4.

Ca o placă PCB specială de înaltă gamă, avantajele principale ale PCB-ului ceramic sunt concentrate pe dimensiuni cheie precum disiparea căldurii, rezistența la temperatură, izolația și stabilitatea, după cum urmează:

· Performanță maximă de disipare a căldurii:

Conductivitatea termică a substraturilor ceramice (în special nitridul de aluminiu) poate atinge 170-230 W/(m · K), ceea ce reprezintă mai mult de 500 de ori față de plăcile PCB FR-4 tradiționale (aproximativ 0,3 W/(m · K)). Aceasta poate conduce rapid căldura generată de dispozitivele de mare putere, reducând eficient creșterea de temperatură a acestora și evitând defectele termice. Este compatibilă cu scenarii cu densitate mare de flux termic, cum ar fi modulele IGBT și LED-urile de mare putere.

· Rezistență termică ultra-ridicată:

Temperatura de funcționare pe termen lung poate depăși 200℃, iar temperatura pe termen scurt poate rezista până la 500℃, ceea ce este mult superior față de PCB FR-4 (≤130℃). Poate adapta mediile extreme de temperatură, cum ar fi aerospace și echipamente industriale pentru temperaturi înalte fără a cauza deformarea sau îmbătrânirea substratului din cauza temperaturilor ridicate.

· Rezistență electrică excelentă:

Tensiune de străpungere ≥10kV/mm, performanța de izolare depășește cu mult cea a PCB-urilor FR-4, poate funcționa stabil în circuite de înaltă tensiune, evită riscurile de scurgere și străpungere și satisface cerințele de siguranță izolante ale stațiilor de încărcare și echipamentelor industriale de înaltă tensiune.

· Compatibilitate termică bună:

Coeficientul de expansiune termică al substraturilor ceramice este apropiat de cel al cipurilor semiconductoare, ceea ce poate reduce tensiunea termică cauzată de schimbările de temperatură, scăzând riscul de fisurare și desprindere la interfața dintre cip și substrat și sporește fiabilitatea și durata de viață a ambalării dispozitivelor.

· Stabilitate chimică și ambientală:

Rezistent la acizi și baze, radiații și coroziune. Performanța sa nu scade în medii dificile precum umiditatea, câmpurile electromagnetice puternice și radiațiile. Este potrivit pentru scenarii speciale precum aerospace, marin explorare și echipamente din industria nucleară.

· Rezistență mecanică ridicată:

Suporturile ceramice au duritate mare și rezistență puternică la impact. În special placa de circuit ceramică din nitrid de siliciu, poate suporta tensiuni mecanice precum vibrații și coliziuni, fiind astfel potrivită pentru condiții de lucru cu vibrații frecvente în vehicule și transport feroviar.

· Pierderi dielectrice reduse:

Materialele ceramice au o constantă dielectrică stabilă și pierderi dielectrice reduse, ceea ce determină o pierdere mică a semnalului în circuitele de înaltă frecvență. Sunt potrivite pentru scenarii de aplicații de înaltă frecvență precum module RF pentru stații de bază 5G și echipamente radar.

Procesul de fabricație al plăcii de circuit ceramic diferă de procesul de gravare al PCB-urilor FR-4 clasice. Nucleul se concentrează pe combinarea fiabilă a suporturilor ceramice cu straturile de cupru. Procesele dominante pot fi clasificate în următoarele categorii, fiecare având propriile caracteristici tehnice și scenarii de aplicare:

Procesul direct de laminare cu folie de cupru

· Principiul de bază: Foi de cupru și substraturi ceramice de oxid de aluminiu/nitric de aluminiu sunt supuse unei sudări eutectice la temperaturi înalte. Aliajul eutectic cupru-oxigen-ceramic pentru a forma un strat de legătură metalurgică, realizând o aderență fermă între cupru și ceramică.

· Pașii procesului : Curățarea suportului ceramic → tăierea foliei de cupru → laminarea foliei de cupru cu materialul ceramic → sinterizare eutectică în vid la temperatură înaltă → răcire → gravura circuitului → inspecția produsului finit.

· Caracteristici principale:

Rezistență la îmbinare ridicată, conductivitate termică excelentă (fără strat intermediar de lipire);

Stratul de cupru are o gamă largă de opțiuni de grosime (0,1 până la 3 mm) și permite proiectarea unor circuite din cupru gros.

Are o bună rezistență la temperaturi înalte și la socurile termice, fiind potrivit pentru dispozitive de putere mare.

Dezavantaje: Temperatură ridicată de sinterizare, cerințe stricte privind echipamentul, utilizabil doar pentru ceramica din alumina și azotură de aluminiu, incompatibil cu azotura de siliciu.

Scenarii aplicabile: Substraturi pentru module IGBT, module de putere pentru stâlpi de încărcare, substraturi pentru LED-uri de putere mare.

Procesul de lipire prin metal activ

· Principiul de bază: Între folia de cupru și substratul ceramic se adaugă un aliaj de lipit care conține metale active, cum ar fi titanul și zirconiul. Într-un mediu vidat la temperaturi între 800 și 950℃, metalele active reacționează chimic cu suprafața ceramică formând legături chimice, în timp ce aliajul de lipit se topește pentru a uni folia de cupru cu materialul ceramic. aliajul se topește și leagă folia de cupru de substratul ceramic.

· Pașii procesului: Prelucrarea preliminară a substratului ceramic → Aplicarea aliajului de lipit → Asamblarea foiliei de cupru cu ceramică → Lipirea în vid → Prelucrarea circuitului → Tratamentul final.

· Caracteristici principale:

Are o adaptabilitate largă și poate fi utilizat pe toate tipurile de substraturi ceramice, cum ar fi alumina, nitridul de aluminiu, nitridul de siliciu etc.

Temperatura de sinterizare este mai scăzută decât la DBC, ceea ce provoacă mai puține deteriorări ale substratului ceramic.

Rezistență mare la îmbinare și o excelentă rezistență la ciclurile de temperatură (fără defecte după cel puțin 1000 de cicluri între -40 și 150℃).

Dezavantaje: Costul aliajului de lipit este ridicat, iar complexitatea procesului este mai mare decât la DBC.

Scenarii aplicabile: PCB-uri ceramice din nitru de siliciu pentru aeronautică, substraturi de putere cu înaltă fiabilitate pentru vehicule.

Proces film gros

· Principiul de bază: Pasta metalică (argint, cupru, aliaj paladiu-argint) este aplicată pe suprafața substratului ceramic prin serigrafie. După sinterizare la temperatură înaltă, pasta metalică se solidifică pentru a forma circuite conductive, eliminând necesitatea acoperirii cu folie de cupru.

· Pașii procesului: Curățarea substratului ceramic → Serigrafierea pastei metalice → uscare → sinterizare la temperatură înaltă → imprimare/sinterizare multiplă (îngroșarea circuitului după necesitate) → Imprimarea stratului de izolație (dacă sunt necesare straturi multiple) necesare) → inspecția produsului finit.

· Caracteristici principale:

Procesul este flexibil, capabil să producă circuite fine și să susțină cablare multi-strat.

Are un cost relativ scăzut și este potrivit pentru producția de serie mică și personalizată.

Dezavantaje: Conductivitatea termică a circuitului este mai scăzută decât cea a procesului cu cupru acoperit, pasta de cupru este predispusă la oxidare, iar fiabilitatea este ușor inferioară.

Scenarii aplicabile: Plăci de circuit pentru senzori mici, plăci pcb ceramice de înaltă frecvență pentru echipamente medicale, suporturi ceramice de gamă joasă.

Procesul ceramicii co-sinterizate la temperatură joasă

· Principiul de bază: Pulberea ceramică este amestecată cu lianți organici pentru a forma benzi ceramice brute. Se fac găuri și se umple cu pastă metalică (argint, cupru) pe benzile ceramice brute pentru a forma circuite/vii. După ce mai multe straturi de benzi ceramice brute sunt stivuite, acestea sunt co-sinterizate la temperatură joasă pentru a forma plăci pcb ceramice multistrat într-o singură operație.

· Pașii procesului: Pregătirea benzilor de porțelan brut → Găurire → Umplere cu pastă metalică → laminare și stivuire → co-sinterizare la temperatură joasă → metalizare de suprafață → inspecția produsului finit.

· Caracteristici principale:

Poate realiza o cablare multistrat de înaltă densitate și poate integra componente pasive (rezistoare, condensatoare) în interiorul suportului.

Precizie dimensională ridicată, cu un coeficient de dilatare termic care corespunde celui al cipurilor semiconductoare;

Dezavantaje: Proces complex, ciclu lung, cost ridicat și grosime limitată a liniilor.

Scenarii aplicabile: Module RF pentru stații de bază 5G, plăci pcb ceramice miniaturizate pentru aplicații aero-spațiale, echipamente de comunicații înalt frecvență.

Proces ceramica co-sinterizată la temperatură înaltă

· Principiul de bază: Asemănător cu LTCC, dar folosind pulbere ceramică pură, temperatura de sinterizare este de până la 1500–1600 °C, iar pasta metalică utilizează metale cu punct de topire ridicat, cum ar fi wolframul și molibdenul.

· Caracteristici principale:

Ceramica are o densitate mare, iar rezistența sa mecanică și rezistența la temperaturi înalte depășesc cu mult cele ale LTCC.

Dezavantaje: Temperatura de sinterizare este extrem de ridicată, conductivitatea pastei metalice este slabă, iar costul este mare.

Scenarii de aplicare: Medii cu temperaturi extreme, plăci ceramice PCB pentru echipamente din industria nucleară.

PCB-urile ceramice, datorită conductivității termice excelente, rezistenței la temperaturi înalte și izolației, sunt utilizate în principal în scenarii de înaltă performanță cu cerințe stricte privind disiparea căldurii și fiabilitatea. Câmpurile principale și aplicațiile specifice sunt următoarele:

În domeniul vehiculelor electrice

· Componente cheie: Modul de putere pentru stâlp de încărcare, invertor de bord, controler motor, placă înaltă tensiune a sistemului de management baterie, substrat pentru driver lampă LED vehicul.

· Motive de aplicare:

Poate transporta curenți mari, disipează rapid căldura, rezistă la mediul cu temperaturi înalte și joase alternative din vehicule, asigură funcționarea stabilă a dispozitivelor de putere și satisface cerințele ultra-înalte de conductivitate termică ale PCILOR ceramice din azotură de aluminiu. cerințele de conductivitate termică ale PCILOR ceramice din azotură de aluminiu.

Domeniul semiconductorilor și al dispozitivelor de putere

· Componente cheie: Substrat pentru modul IGBT, substrat de ambalare MOSFET, substrat de disipare a căldurii pentru LED de mare putere, substrat de ambalare pentru diodă laser, substrat pentru amplificator de putere RF.

· Motive de aplicare: Coeficientul de dilatare termică al substraturilor ceramice se potrivește cu cel al cipurilor semiconductoare, reducând defectele cauzate de tensiunile termice. Conductivitatea sa termică depășește cu mult pe cea a FR-4, rezolvând astfel problema disipării căldurii la dispozitivele de putere. Printre acestea, PCII ceramice realizate prin procedeu cu film gros sunt potrivite pentru cerințele de producție în masă a LED-urilor.

Domeniile aerospace și militar

· Componente cheie: Modul de putere radar aerian, placă de distribuție a energiei pentru satelit, placă de control a motorului rachetei, placă de circuit pentru sistemul de ghidare al rachetei, placă de acționare cu putere mare pentru vehicul aerian neîntrupat.

· Motive de aplicare:

Plăcile ceramice PCB din nitridă de siliciu (Si₃N₄) sau proces HTCC rezistă la temperaturi extreme, vibrații și șocuri, precum și la radiații, fiind potrivite astfel pentru condiții dificile de lucru în domeniile aerospace și militar. industrii.

Domeniul echipamentelor medicale

· Componente cheie: Substrat de putere pentru bisturiu electrochirurgical de înaltă frecvență, placă de amplificator de gradient pentru rezonanță magnetică nucleară (RMN), placă de control pentru echipamente de tratament cu laser, modul de sursă de tensiune înaltă pentru ventilator.

· Motive de aplicare:

Rezistență dielectrică ridicată (evitarea riscului de scurgere), rezistență la temperaturi înalte, transmisie stabilă a semnalului, îndeplinirea standardelor de siguranță și fiabilitate ale echipamentelor medicale, raportul calitate-preț al oxidului de aluminiu placa ceramică PCB este potrivită pentru scenarii medicale obișnuite.

Domeniul controlului industrial și al echipamentelor de înaltă performanță

· Componente cheie: Substrat pentru echipamente de încălzire prin inducție înaltă frecvență, unitate de putere pentru convertizor de frecvență, placă controler servo pentru robot industrial, placă de semnal pentru senzor cu temperatură ridicată, placă de putere pentru invertor fotovoltaic.

· Motive de aplicare:

Rezistent la temperaturi ridicate, umiditate și vibrații în mediile industriale, conductivitatea termică ridicată a PC-urilor ceramice prin proces DBC/AMB asigură funcționarea stabilă pe termen lung a aplicațiilor de putere mare echipamente de control industrial.

Domeniul comunicațiilor 5G și radiofrecvență

· Componente cheie: modul RF de putere pentru stație de bază 5G, substrat pentru radar în unde milimetrice, placă înaltă frecvență pentru echipamente de comunicații satelitare.

· Motive de aplicare:

PC-urile ceramice prin proces LTCC pot realiza integrare de înaltă densitate și includere de componente pasive, având pierderi dielectrice reduse, fiind potrivite pentru transmiterea semnalelor înaltă frecvență și, în același timp, satisfăcând cerințele de disipare a căldurii ale dispozitivelor de putere din stațiile de bază.

Domenii speciale pentru medii extreme

· Componente cheie: Placă de control pentru echipamente din industria nucleară, placă de circuit pentru robot de explorare subacvatică adâncă, substrat pentru senzor de cuptor industrial la temperatură ridicată.

· Motive de aplicare:

PCB-urile ceramice sunt rezistente la radiații, coroziune și temperaturi ridicate. Performanța lor nu scade în medii extreme, cum ar fi radiația nucleară, presiunea mare de adâncime marină și temperaturile înalte furnalele. PCB-urile ceramice din oxid de beriliu sunt potrivite pentru scenarii din industria nucleară.