Keramické desky plošných spojů – kompletní průvodce

Většina tradičních desek plošných spojů používá jako základní materiál FR4 nebo epoxidovou pryskyřici, která je vhodná pro běžné spotřební elektronické výrobky. Často však neodolávají podmínkám s vysokým výkonem a vysokou frekvencí. Aby se tyto problémy vyřešily, začali inženýři volit keramické desky plošných spojů.

Keramická deska plošných spojů není jednoduchou alternativou k běžné desce plošných spojů, ale pokročilejší technologií. Má vynikající tepelnou vodivost, elektrickou izolaci a rozměrovou stabilitu. Jinými slovy, keramické desky plošných spojů mohou stabilně a spolehlivě fungovat i při vysokých teplotách, silných vibracích nebo korozivním prostředí, což je činí velmi vhodnými pro oblasti, jako je letectví a kosmonautika, obrana, automobilová elektronika, lékařské vybavení a 5G komunikace.

V této komplexní příručce vás provedeme důkladným pochopením keramických desek plošných spojů: co to je, jaké jsou její vlastnosti, běžně používané materiály a typy, specifické scénáře použití, výrobní procesy a rozdíly mezi nimi a FR4 a MCPCB.

Co je to keramická deska plošných spojů?

Keramická deska plošných spojů (PCB) je speciální typ desky plošných spojů. Její substrát není vyroben z tradiční epoxidové pryskyřice ze skelných vláken (FR4), ale z pokročilých keramických materiálů, jako je oxid hlinitý (Al₂O₃), nitrid hliníku (AlN), oxid berylia (BeO), karbid křemíku (SiC) nebo nitrid boru (BN). Místo organických materiálů se používá keramika; keramické desky plošných spojů mají vlastnosti, které běžné desky plošných spojů nemají, jako je tepelná vodivost, elektrická izolace a chemická odolnost proti korozi.

Právě díky těmto vlastnostem se keramické desky plošných spojů široce používají ve vysoce výkonné elektronice, RF a mikrovlnných systémech, letectví a kosmonautice, obranných zařízeních, automobilových výkonových modulech, LED osvětlení a dalších aplikacích, které vyžadují vysokou spolehlivost.

Na rozdíl od MCPCB (kovové desky plošných spojů), která se spoléhá na kovové vrstvy, které pomáhají s odvodem tepla, keramická deska plošných spojů sama o sobě integruje vysokou tepelnou vodivost přímo do svého substrátu. To znamená, že obvykle nevyžaduje další chladiče, konstrukce systému je jednodušší a může také podporovat menší obvody s vyšší hustotou.

Jednoduše řečeno, keramická deska plošných spojů není jen náhradou za FR4, ale spíše pokročilejším řešením obvodů nové generace. Dokáže udržovat stabilní provoz ve vysokoteplotním, vysokofrekvenčním a korozivním prostředí a zároveň poskytuje dlouhodobou spolehlivost v kritických aplikacích.

Klíčové vlastnosti keramických desek plošných spojů

Výkon keramických desek plošných spojů pramení hlavně z následujících významných vlastností:

Tepelná vodivost

Nejvýraznější vlastností keramické desky plošných spojů je její rychlý odvod tepla. Tepelná vodivost běžné desky plošných spojů FR4 je pouze asi 0.3 W/m·K, zatímco u oxidu hlinitého (Al₂O₃) může dosáhnout 20–30 W/m·K a u nitridu hliníku (AlN) dokonce přesahuje 200 W/m·K. To znamená, že teplo z keramické desky plošných spojů se může rozptylovat 20 až 100krát rychleji než u tradičních desek, čímž se účinně zabraňuje přehřívání součástek a zvyšuje se spolehlivost.

Elektrické izolace

Keramický substrát desek plošných spojů (PCB) má vynikající elektrickou izolaci. Materiály jako oxid hlinitý a nitrid hliníku mají nízké dielektrické ztráty a stabilní dielektrické konstanty, což může snížit únik signálu. Díky tomu jsou keramické desky plošných spojů ideální volbou pro rádiové frekvence (RF), mikrovlnné a vysokorychlostní digitální obvody, které zajišťují stabilní a spolehlivé signály.

Prostorová stabilita

Keramické desky plošných spojů se při změnách teploty téměř neroztahují a jejich koeficient tepelné roztažnosti (CTE) se blíží koeficientu tepelné roztažnosti (CTE) křemíkových čipů. To snižuje namáhání tepelnými cykly na deskách plošných spojů a čipech, což činí keramické desky plošných spojů vysoce spolehlivými v polovodičových pouzdrech.

Mechanická síla

Keramické desky plošných spojů (PCB) mají pevnou strukturu a odolávají vibracím, nárazům a mechanickému namáhání. Tato odolnost má velký význam v oblastech, jako je letecký průmysl, automobilová elektronika a obranná elektronika.

Chemická odolnost

Na rozdíl od FR4 nebo některých MCPCB mohou keramické desky plošných spojů odolávat korozi způsobené chemikáliemi, rozpouštědly a vlhkostí. To umožňuje bezpečné používání keramických desek plošných spojů v náročných prostředích, jako jsou lékařské přístroje, průmyslová automatizace a energetika.

Keramické materiály pro plošné spoje

V průmyslovém návrhu desek plošných spojů (PCB) má výběr substrátových materiálů přímý vliv na výkon desky plošných spojů. Různé keramické materiály mají svou vlastní jedinečnou tepelnou vodivost, mechanické vlastnosti a elektrické parametry, a proto jsou vhodné pro různé typy elektronických aplikací.

Následující tabulka uvádí několik běžných keramických materiálů pro desky plošných spojů spolu s jejich tepelnou vodivostí, hlavními vlastnostmi a typickými aplikacemi, které slouží jako reference pro návrh a výběr materiálu.

Typy keramických PCB

O PCBasicu

Čas jsou ve vašich projektech peníze – a PCBasic chápe PCBasic je Firma pro montáž desek plošných spojů který pokaždé přináší rychlé a bezchybné výsledky. Náš komplexní Montážní služby PCB zahrnují odbornou technickou podporu v každém kroku, což zajišťuje špičkovou kvalitu každé desky. Jako přední Výrobce sestav plošných spojů, Nabízíme komplexní řešení, které zefektivní váš dodavatelský řetězec. Spolupracujte s naší pokročilou Továrna na prototypy plošných spojů pro rychlé vyřízení a vynikající výsledky, na které se můžete spolehnout.

Aplikace keramických PCB

Díky své všestrannosti je keramická deska plošných spojů nezbytná v mnoha odvětvích:

• LED osvětlení: Vysoce výkonné LED diody těží z keramických substrátů, které eliminují potřebu chladičů.

• Automobilová elektronika: Používá se v řídicích jednotkách motorů (ECU), systémech pro správu napájení a modulech elektromobilů, kde jsou vibrace a teplo problematické.

• Letectví a obrana: Radarové moduly, navádění raket, avionika – spolehlivé keramické desky plošných spojů v extrémních podmínkách.

• Telekomunikace: VF zesilovače, mikrovlnné obvody a 5G infrastruktura se pro zajištění integrity signálu spoléhají na keramické substráty desek plošných spojů.

• Zdravotnické prostředky: Implantabilní zařízení a diagnostická zařízení potřebují biokompatibilní a chemicky odolné keramické desky plošných spojů (PCB).

• Průmyslová výkonová elektronika: Střídače, konvertory a systémy obnovitelných zdrojů energie těží z vysoce výkonných keramických desek plošných spojů.

• Balení polovodičů: Nosiče čipů a hybridní mikroelektronika používají vícevrstvé keramické desky plošných spojů pro vysokou hustotu a tepelnou regulaci.

Přehled výrobního procesu

Výroba keramické desky plošných spojů není jednoduchý proces. Zahrnuje několik profesionálních kroků, z nichž každý ovlivňuje výkon a spolehlivost finální desky plošných spojů.

1. Design a rozvržení

Nejprve použijte CAD software pro návrh obvodů. Inženýři budou zejména zohledňovat požadavky na odvod tepla a výkon přenosu vysokofrekvenčního signálu keramických desek plošných spojů, aby zajistili, že rozvržení obvodu je rozumné a spolehlivé.

2. Příprava substrátu

Keramické substrátové materiály (běžně se vyskytující jsou Al₂O₃ a AlN) se nařežou na požadované velikosti a poté se vyleští a očistí. Tento krok zajišťuje, aby byl povrch substrátu rovný, bez prachu a nečistot, což usnadní následné procesy.

3. Sítotisk nebo nanášení tenkých vrstev

Vodivé pasty, jako je stříbro (Ag), zlato (Au) a měď (Cu), se nanášejí na povrch keramických substrátů a vytvářejí tak vodivé stopy. Proces tenkých vrstev umožňuje také nanášet jemnější vodivé vrstvy, což je vhodné pro vysoce přesné obvody.

4. Vrtáním a metalizací

Pro vytvoření průchodů v substrátu použijte laserové nebo mechanické vrtání. Poté se uvnitř otvoru provede metalizace, aby se vytvořilo spolehlivé propojení mezi vrstvami obvodu.

5. Stohování a laminace

Pokud se jedná o vícevrstvou keramickou desku plošných spojů (PCB), vícevrstvé substráty budou přesně zarovnány a laminovány dohromady, čímž vytvoří vícevrstvou strukturu. To může podporovat propojení s vysokou hustotou a složitější návrhy obvodů.

6. Slinování/Vypalování

Laminovaný keramický substrát se umístí do vysokoteplotní pece a spéká se při teplotě 850 až 1700 °C, aby se pevně spojily keramické a kovové vrstvy a zajistila se stabilita a pevnost desky plošných spojů.

7. Povrchová úprava

Na povrch desky plošných spojů se provádí pokovování ENIG, ENEPIG, imerzní stříbro nebo imerzní cín. Tato ošetření mohou zlepšit pájitelnost a zabránit oxidaci měděné vrstvy.

8. Montáž a testování

Na desku plošných spojů nainstalujte součástky pro povrchovou montáž (SMD) pro dokončení základních funkcí obvodu. Poté budou provedeny také elektrické testy a testy tepelné spolehlivosti, aby se zajistilo, že keramická deska plošných spojů může normálně fungovat.

9. Konečné profilování a balení

Posledním krokem je ořezání nebo V-rýhování desky plošných spojů pro dokončení tvarového zpracování. Kvalifikované hotové výrobky budou zabaleny a připraveny k odeslání výrobcem keramických desek plošných spojů.

Keramické desky plošných spojů vs. desky plošných spojů s FR4 a kovovým jádrem

• FR4levné, ale špatný odvod tepla.

• MCPCBrovnováha mezi cenou a výkonem.

• Keramická deska plošných spojů: vynikající tepelná vodivost, ale velmi drahé.

Proč investovat do čističky vzduchu?

Keramické desky plošných spojů (PCB) jsou klíčovou volbou pro vysoce výkonnou elektronickou montáž. Kombinují vysokou tepelnou vodivost, vynikající elektrický výkon, trvanlivost a chemickou odolnost proti korozi, a proto se stávají stále důležitějšími v oblastech, jako je letecký a kosmický průmysl, automobilový průmysl, telekomunikace, obrana, LED a lékařské vybavení.

Přestože jsou keramické desky plošných spojů dražší než desky plošných spojů s FR4 nebo kovovým jádrem a jsou křehčí, mohou zvýšit dlouhodobou spolehlivost, snížit požadavky na odvod tepla, čímž prodloužit životnost elektronických výrobků a celkově ušetřit náklady.