Обзор керамических печатных плат (Ceramic PCB)

 

Керамическая подложка печатной платы — это специальная плата, в которой медная фольга напрямую соединяется с поверхностью керамики (с одной или двух сторон) из оксида алюминия (Al₂O₃) или нитрида алюминия (AlN) при высоких температурах.

 

Полученная ультратонкая композитная подложка обладает отличной электрической изоляцией, высокой теплопроводностью, превосходной паяемостью и высокой прочностью сцепления. Она позволяет формировать различные схемные рисунки и выдерживает большие токовые нагрузки.

 

Поэтому керамические подложки стали базовым материалом для высокомощных силовых электронных схем и технологий межсоединений.

 

Появление керамических подложек открыло новый этап развития отрасли теплоотвода. Благодаря таким преимуществам, как высокая эффективность рассеивания тепла, низкое тепловое сопротивление, длительный срок службы и высокая электрическая прочность, а также с развитием технологий производства и оборудования, стоимость продукции стала более доступной. Это значительно расширило области применения в LED-индустрии, включая:

 

•  индикаторы бытовой техники

 

•  автомобильное освещение

 

•  уличные фонари

 

•  наружные рекламные экраны

 

Успешное развитие керамических подложек обеспечивает более качественные решения для внутреннего и наружного освещения и открывает более широкие перспективы для рынка LED в будущем.

 

 

Типы керамических печатных плат по материалам

 

Керамические PCB классифицируются по используемым материалам. Наиболее распространённые:

 

•  оксид алюминия (Al₂O₃)

 

•  нитрид алюминия (AlN)

 

•  нитрид кремния (Si₃N₄)

 

Они отличаются по теплопроводности, изоляционным свойствам и механической прочности. Выбор подходящего материала позволяет оптимально адаптировать плату под конкретные условия применения.

 

1. Керамическая PCB на основе оксида алюминия (Alumina)

 

Подложка из оксида алюминия — самый распространённый материал в электронной промышленности.

 

Это связано с:

 

•  высокой механической прочностью

 

•  хорошей химической стабильностью

 

•  сбалансированными тепловыми и электрическими характеристиками

 

•  доступностью сырья

 

Такие подложки подходят для различных технологических процессов и могут изготавливаться в сложных трёхмерных формах.

 

2. Керамическая PCB на основе оксида бериллия (Beryllium Oxide)

 

Оксид бериллия обладает более высокой теплопроводностью по сравнению с алюминием, поэтому используется в задачах, требующих эффективного теплоотвода.

 

Однако:

 

•  при температурах выше 300 °C его характеристики быстро ухудшаются

 

•  высокая токсичность ограничивает его широкое применение

 

Керамика на основе оксида бериллия применяется в:

 

•  подложках для интегральных схем

 

•  высокомощных газовых лазерах

 

•  корпусах радиаторов транзисторов

 

•  микроволновых выходных окнах

 

•  нейтронных замедлителях

 

3. Керамическая PCB на основе нитрида алюминия (AlN)

 

Нитрид алюминия (AlN) обладает двумя ключевыми свойствами:

 

•  высокой теплопроводностью

 

•  коэффициентом теплового расширения, близким к кремнию (Si)

 

Недостатком является то, что даже очень тонкий оксидный слой на поверхности может ухудшать теплопроводность. Только при строгом контроле материалов и технологических процессов можно получить подложки AlN с высокой стабильностью характеристик.

 

В Китае пока немного технологий, позволяющих производить AlN в больших объёмах (например, как у Sliton), а стоимость AlN остаётся выше по сравнению с Al₂O₃. Это является одним из факторов, сдерживающих его широкое применение. Однако с развитием экономики и технологий это ограничение постепенно будет устранено.

 

Из вышесказанного следует, что керамика на основе оксида алюминия (Al₂O₃) широко применяется благодаря сбалансированным характеристикам и по-прежнему занимает доминирующее положение в таких областях, как:

 

•  микроэлектроника

 

•  силовая электроника

 

•  гибридная микроэлектроника

 

•  силовые модули

 

AlN стабилен при температурах до 2200 °C. Он обладает высокой прочностью при комнатной температуре, которая медленно снижается с ростом температуры. Материал характеризуется:

 

•  высокой теплопроводностью

 

•  низким коэффициентом теплового расширения

 

•  отличной устойчивостью к термошоку

 

Также он устойчив к эрозии расплавленными металлами, что делает его идеальным материалом для тиглей при плавке и литье чистого железа, алюминия и алюминиевых сплавов.

 

Нитрид алюминия является хорошим электрическим изолятором с отличными диэлектрическими свойствами и перспективен для применения в электрических компонентах. Покрытие из AlN на поверхности арсенида галлия (GaAs) может защищать его от ионной имплантации при отжиге.

 

Он также используется как катализатор при превращении гексагонального нитрида бора в кубический нитрид бора. При комнатной температуре медленно реагирует с водой.

 

Методы получения:

 

•  синтез из алюминиевого порошка при 800–1000 °C в атмосфере аммиака или азота (получается бело-серый порошок)

 

•  реакция в системе Al₂O₃–C–N₂ при 1600–1750 °C (светло-серый порошок)

 

•  газофазная реакция хлорида алюминия с аммиаком

 

•  осаждение покрытий из системы AlCl₃–NH₃

 

4. Керамическая PCB на основе нитрида кремния (Si₃N₄)

 

Компания Rogers Corporation в 2012 году представила новую серию керамических подложек curamik® на основе нитрида кремния (Si₃N₄).

 

Благодаря более высокой механической прочности по сравнению с другими керамиками, подложки curamik® позволяют конструкторам обеспечивать длительный срок службы изделий в тяжёлых условиях эксплуатации, включая:

 

•  гибридные автомобили (HEV)

 

•  электромобили (EV)

 

•  системы возобновляемой энергетики

 

Основные преимущества Si₃N₄:

 

•  предел прочности на изгиб выше, чем у Al₂O₃ и AlN

 

•  трещиностойкость превосходит даже циркониевые керамики

 

•  высокая надёжность в условиях термических и механических нагрузок

 

До настоящего времени надёжность керамических подложек с медным покрытием в силовых модулях ограничивалась низкой механической прочностью, что снижало устойчивость к термоциклированию.

 

В приложениях с экстремальными нагрузками (например, HEV/EV) традиционные керамические PCB не являются оптимальным выбором. Это связано с тем, что коэффициенты теплового расширения керамики и меди сильно различаются, что вызывает напряжения в зоне соединения при термоциклах и снижает надёжность.

 

Подложки curamik® на основе Si₃N₄, представленные на выставке PCIM, позволяют увеличить срок службы силовых электронных модулей до 10 раз.

 

О PCBfast

Время — это деньги, и PCBfast это понимает. Мы обеспечиваем быструю и надёжную сборку печатных плат (PCBA) со стабильным качеством. От инженерной поддержки до финального производства — наши комплексные услуги PCBA помогают упростить вашу цепочку поставок и ускорить реализацию проекта. Как надёжный производитель сборки печатных плат, мы гарантируем быстрые сроки выполнения и результаты, на которые вы можете положиться.

Процесс производства керамических печатных плат (Ceramic PCB)

 

Производство керамических печатных плат включает ряд точных и строго контролируемых этапов. Каждый шаг должен гарантировать, что готовая плата полностью соответствует требованиям и назначению.

 

1. Анализ требований

 

Первый этап — это анализ потребностей, включая требуемую прочность, жёсткость и электрические характеристики, такие как проводимость.

 

2. Выбор подложки

 

Далее выбирается подходящая керамическая подложка. Как и в любом производстве, разные материалы подходят для разных задач:

 

•  оксид алюминия (Al₂O₃) — оптимален для проектов с ограниченным бюджетом

 

•  нитрид алюминия (AlN) и оксид бериллия (BeO) — применяются там, где требуется высокая теплопроводность

 

3. Лазерное травление и формирование проводников

 

После выбора подложки выполняется лазерное травление для создания схемных рисунков, по которым будет протекать электрический ток.

 

Затем, в зависимости от сложности схемы, используется технология толстых или тонких плёнок для формирования проводящих дорожек.

 

4. Обжиг при высокой температуре

 

Один из ключевых этапов — обжиг платы при очень высокой температуре. В процессе все слои и материалы сплавляются, образуя единое прочное целое.

 

5. Сверление и защитное покрытие

 

Далее выполняется сверление отверстий для монтажа компонентов — как при строительстве миниатюрной системы соединений.

 

После этого плата покрывается антикоррозионным защитным слоем для повышения надёжности и долговечности.

 

6. Контроль качества

 

На финальном этапе команда контроля качества тщательно проверяет и анализирует весь процесс производства.

 

Каждый шаг требует высокой точности, поскольку даже небольшая ошибка может привести к отказу всей электронной системы.

 

Именно поэтому мы рекомендуем выбирать надёжного производителя керамических PCB, такого как PCBfast.

 

Для получения дополнительной информации или расчёта стоимости посетите: www.PCBfast.com.

    

   

Преимущества керамических печатных плат

 

◆ Коэффициент теплового расширения керамической подложки близок к кремниевому чипу, что позволяет отказаться от переходного слоя (Mo-пластины), снизить затраты на материалы и труд, а также уменьшить общую стоимость.

 

◆ Снижение количества паяных слоёв, теплового сопротивления, пустот (voids) и повышение выхода годной продукции.

 

◆ При одинаковой токовой нагрузке ширина дорожек (при толщине меди 0,3 мм) составляет всего около 10% от ширины дорожек на обычных печатных платах.

 

◆ Отличная теплопроводность позволяет создавать более компактные корпуса чипов, значительно повышая плотность мощности и надёжность системы и устройств.

 

◆ Ультратонкие подложки (0,25 мм) могут заменить BeO, при этом не имеют экологической токсичности.

 

◆ Высокая токопроводящая способность:

 

•  при ширине медной дорожки 1 мм и толщине 0,3 мм ток 100 А вызывает повышение температуры примерно на 17 °C

 

•  при ширине 2 мм и толщине 0,3 мм тот же ток 100 А вызывает повышение температуры всего около 5 °C

 

◆ Низкое тепловое сопротивление:

 

•  для подложки 10×10 мм толщиной 0,63 мм — 0,31 K/Вт

 

•  при толщине 0,38 мм — 0,19 K/Вт

 

•  при толщине 0,25 мм — 0,14 K/Вт

 

◆ Высокая электрическая изоляция и пробивное напряжение, что обеспечивает безопасность пользователей и защиту оборудования.

 

◆ Возможность реализации новых методов корпусирования и сборки, что способствует высокой степени интеграции и уменьшению размеров изделий.

    

    

Требования к характеристикам керамических печатных плат (Ceramic PCB)

 

В электронных устройствах, работающих при высокой мощности, высокой частоте и в экстремальных условиях, традиционные платы на основе FR4 уже не способны удовлетворять строгие требования к теплоотводу, электрическим характеристикам и стабильности. Благодаря высокой теплопроводности, отличной электрической изоляции и высокой надёжности, керамические PCB стали идеальным выбором для нового поколения электронных корпусов и носителей схем. Ниже приведены основные требования к их характеристикам.

 

Механические свойства

 

Керамические PCB должны обладать достаточной механической прочностью, чтобы использоваться не только как носитель компонентов, но и как конструкционный элемент. Они характеризуются хорошей обрабатываемостью, высокой точностью размеров и возможностью реализации многослойных структур. Поверхность должна быть ровной, без деформаций, изгибов и микротрещин.

 

Электрические свойства

 

Керамические платы должны иметь высокое сопротивление изоляции и высокое напряжение пробоя, а также низкую диэлектрическую проницаемость и малые диэлектрические потери. При этом их характеристики должны оставаться стабильными даже в условиях высокой температуры и влажности, что обеспечивает высокую надёжность работы.

 

Тепловые свойства

 

Ключевыми требованиями являются высокая теплопроводность и согласование коэффициента теплового расширения с другими материалами, особенно с кремнием. Кроме того, керамические PCB должны обладать высокой термостойкостью для стабильной работы в условиях тепловых нагрузок.

 

Прочие свойства

 

Керамические PCB должны иметь хорошую химическую стабильность, легко поддаваться металлизации и обеспечивать высокую адгезию проводящих слоёв. Они не должны впитывать влагу, должны быть устойчивыми к маслам и химическим веществам, обладать низким уровнем излучения и быть экологически безопасными и нетоксичными. При этом кристаллическая структура должна оставаться стабильной в рабочем температурном диапазоне. Дополнительно важны доступность сырья, зрелость технологий производства, простота изготовления и относительно низкая стоимость.

 

Области применения керамических печатных плат (Ceramic PCB)

 

◆ Модули силовых полупроводников высокой мощности; полупроводниковые холодильные устройства, электронные нагреватели; схемы управления ВЧ-мощностью и гибридные силовые схемы.

 

◆ Интеллектуальные силовые компоненты: высокочастотные импульсные источники питания и твердотельные реле.

 

◆ Автомобильная электроника, аэрокосмическая техника и военная электроника.

 

◆ Сборка солнечных панелей; телекоммуникационные системы (АТС, приёмные системы); лазерная техника и другая промышленная электроника.

 

Почему стоит использовать керамические PCB вместо других плат?

 

По сравнению с традиционными платами FR4 или металлическими подложками (MCPCB), керамические PCB обладают значительными преимуществами по ряду ключевых параметров.

 

Их высокая теплопроводность, крайне низкий коэффициент теплового расширения, отличная электрическая изоляция и хорошие характеристики на высоких частотах делают их идеальным выбором для высокопроизводительных и надёжных электронных устройств.

 

Особенно они подходят для применения в силовой электронике, радиочастотной связи и устройствах, работающих в жёстких условиях эксплуатации.

  

Показатель	Керамическая PCB	FR4 PCB	Металлическая PCB (MCPCB)
Теплопроводность	Очень высокая (до 180 Вт/м·К в зависимости от материала)	Низкая (около 0,3–0,4 Вт/м·К)	Средняя или высокая (1–10 Вт/м·К в зависимости от основания)
Коэффициент теплового расширения (CTE)	Очень низкий, близок к кремнию — минимальные тепловые напряжения	Высокий — склонен к расширению и деформации	Ниже, чем у FR4, но выше, чем у керамики
Надёжность	Отличная — подходит для высоких температур, напряжений и вибраций	Средняя — подходит для бытовой электроники	Хорошая — оптимальна для задач теплоотвода
Частотные характеристики	Отличные — идеально для RF, СВЧ и высокоскоростных сигналов	Средние — высокие потери на высокой частоте	Умеренные — применимы в некоторых RF-задачах
Электрическая изоляция	Очень стабильная даже при высоком напряжении и температуре	Хорошая, но ухудшается при нагреве и влажности	Зависит от конструкции — обычно требуется изоляция
Стоимость	Выше — но оправдана для сложных и долговечных проектов	Низкая — идеально для стандартных применений	Средняя — оптимальна при требованиях к теплоотводу
Типичные применения	RF-модули, силовая электроника, мощные LED, аэрокосмическая и военная техника	Потребительская электроника, материнские платы ПК, бытовая техника	LED-освещение, преобразователи питания, автомобильная электроника

   

Здесь видно, что керамические PCB обладают многомерными преимуществами, особенно в областях высокой мощности, высоких частот и высокой надёжности. Они превосходят как FR4, так и MCPCB по ключевым параметрам, что делает керамические печатные платы предпочтительным выбором для многих современных электронных систем.

 

Заключение

 

По мере того как электронные устройства становятся всё более компактными и мощными, растёт потребность в эффективных тепловых и электрических решениях. Керамические PCB выделяются своей превосходной производительностью в экстремальных условиях, что делает их незаменимыми для высоконадёжных применений.

Независимо от того, разрабатываете ли вы решения для автомобильной промышленности, аэрокосмической отрасли или мощных LED-систем, правильный выбор производителя и подложки керамической PCB поможет обеспечить долгосрочный успех вашего продукта.