Circuits imprimés en céramique – Guide complet

La plupart des circuits imprimés traditionnels utilisent du FR4 ou de la résine époxy comme matériau de base, un matériau adapté aux produits électroniques grand public. Cependant, ils ne résistent souvent pas aux conditions de puissance et de fréquence élevées. Pour résoudre ces problèmes, les ingénieurs ont opté pour des circuits imprimés en céramique.

Un circuit imprimé en céramique n'est pas une simple alternative au PCB classique, mais une technologie plus avancée. Il présente une excellente conductivité thermique, une isolation électrique et une stabilité dimensionnelle exceptionnelles. Autrement dit, les PCB à substrat céramique peuvent fonctionner de manière stable et fiable dans des environnements à haute température, soumis à de fortes vibrations ou corrosifs, ce qui les rend particulièrement adaptés à des secteurs tels que l'aérospatiale, la défense, l'électronique automobile, les équipements médicaux et les communications 5G.

Dans ce guide complet, nous vous guiderons à travers une compréhension approfondie du PCB en céramique : ce que c'est, ses caractéristiques, les matériaux et types couramment utilisés, les scénarios d'application spécifiques, les processus de fabrication et les différences entre lui et le FR4 et le MCPCB.

Qu'est-ce qu'un PCB en céramique ?

Un circuit imprimé en céramique est un type particulier de carte de circuit imprimé. Son substrat n'est pas constitué de résine époxy fibre de verre traditionnelle (FR4), mais de matériaux céramiques avancés tels que l'alumine (Al₂O₃), le nitrure d'aluminium (AlN), l'oxyde de béryllium (BeO), le carbure de silicium (SiC) ou le nitrure de bore (BN). La céramique est utilisée à la place des matériaux organiques ; les cartes de circuit imprimé en céramique possèdent des propriétés que les cartes de circuit imprimé ordinaires n'ont pas, telles que la conductivité thermique, l'isolation électrique et la résistance à la corrosion chimique.

C'est précisément en raison de ces caractéristiques que les circuits imprimés à substrat céramique sont largement utilisés dans l'électronique haute puissance, les systèmes RF et micro-ondes, l'aérospatiale, les équipements de défense, les modules d'alimentation automobiles, l'éclairage LED et d'autres applications nécessitant une fiabilité élevée.

Contrairement aux circuits imprimés à cœur métallique (MCPCB), qui reposent sur des couches métalliques pour favoriser la dissipation thermique, les circuits imprimés en céramique intègrent une conductivité thermique élevée directement dans leur substrat. Cela signifie qu'ils ne nécessitent généralement pas de dissipateurs thermiques supplémentaires, que leur conception est plus simple et qu'ils peuvent également prendre en charge des circuits plus petits et à plus haute densité.

En termes simples, le circuit imprimé céramique n'est pas un simple substitut au FR4, mais plutôt une solution de circuit nouvelle génération plus avancée. Il assure un fonctionnement stable dans des environnements à haute température, haute fréquence et corrosifs, tout en offrant une fiabilité à long terme pour les applications critiques.

Principales caractéristiques des PCB en céramique

Les performances des circuits imprimés en céramique découlent principalement des caractéristiques importantes suivantes :

Conductivité thermique

La caractéristique la plus remarquable d'un circuit imprimé en céramique est sa dissipation thermique rapide. La conductivité thermique d'un circuit imprimé FR4 classique n'est que d'environ 0.3 W/m·K, tandis que celle de l'oxyde d'alumine (Al₂O₃) peut atteindre 20 à 30 W/m·K, et celle du nitrure d'aluminium (AlN) dépasse même 200 W/m·K. Cela signifie que la chaleur d'un circuit imprimé en céramique peut se dissiper 20 à 100 fois plus vite que celle des circuits imprimés traditionnels, évitant ainsi la surchauffe des composants et améliorant la fiabilité.

Isolation électrique

Un substrat de circuit imprimé en céramique offre une excellente isolation électrique. Des matériaux comme l'alumine et le nitrure d'aluminium présentent de faibles pertes diélectriques et des constantes diélectriques stables, ce qui réduit les fuites de signal. Les circuits imprimés en céramique constituent donc un choix idéal pour les circuits radiofréquences (RF), micro-ondes et numériques à haut débit, garantissant des signaux stables et fiables.

stabilité dimensionnelle

Les circuits imprimés en céramique se dilatent peu sous l'effet des variations de température et leur coefficient de dilatation thermique (CTE) est proche de celui des puces en silicium. Cela réduit les contraintes liées aux cycles thermiques sur les circuits imprimés et les puces, ce qui confère aux circuits imprimés à substrat céramique une grande fiabilité dans le conditionnement des semi-conducteurs.

Force mécanique

Les circuits imprimés en céramique présentent une structure robuste et résistent aux vibrations, aux chocs et aux contraintes mécaniques. Cette durabilité est essentielle dans des domaines tels que l'aérospatiale, l'électronique automobile et l'électronique de défense.

Résistance chimique

Contrairement au FR4 ou à certains MCPCB, les circuits imprimés à substrat céramique résistent à la corrosion due aux produits chimiques, aux solvants et à l'humidité. Cela permet une utilisation en toute sécurité des circuits imprimés céramiques dans des environnements difficiles tels que les équipements médicaux, l'automatisation industrielle et l'énergie.

Matériaux PCB en céramique

Dans la conception de circuits imprimés industriels, le choix des matériaux de substrat influence directement les performances du circuit imprimé. Chaque matériau céramique possède une conductivité thermique, des propriétés mécaniques et des performances électriques qui lui sont propres, et convient donc à divers types d'applications électroniques.

Le tableau suivant répertorie plusieurs matériaux PCB céramiques courants, ainsi que leur conductivité thermique, leurs principales caractéristiques et leurs applications typiques, servant de référence pour la conception et la sélection des matériaux.

Types de PCB en céramique

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Applications des PCB en céramique

La polyvalence du PCB céramique le rend indispensable dans de nombreuses industries :

• Éclairage LED : Les LED haute puissance bénéficient de substrats en céramique qui éliminent le besoin de dissipateurs thermiques.

• Électronique automobile : Utilisé dans les calculateurs, la gestion de l'alimentation et les modules EV où les vibrations et la chaleur constituent des défis.

• Aérospatiale et Défense : Modules radar, guidage de missiles, avionique – des circuits imprimés en céramique fiables dans des conditions extrêmes.

• Télécommunications : Les amplificateurs RF, les circuits micro-ondes et l’infrastructure 5G s’appuient sur des substrats PCB en céramique pour l’intégrité du signal.

• Dispositifs médicaux : Les implants et les équipements de diagnostic nécessitent des PCB céramiques biocompatibles et chimiquement résistants.

• Électronique de puissance industrielle : Les onduleurs, les convertisseurs et les systèmes d’énergie renouvelable bénéficient de circuits imprimés à substrat céramique haute puissance.

• Conditionnement de semi-conducteurs : Les supports de puces et la microélectronique hybride utilisent des circuits imprimés en céramique multicouches pour une densité élevée et un contrôle thermique.

Aperçu du processus de fabrication

La fabrication d'un circuit imprimé en céramique n'est pas un processus simple. Elle implique de multiples étapes professionnelles, chacune ayant un impact sur les performances et la fiabilité du circuit imprimé final.

1. Conception et mise en page

Premièrement, utilisez un logiciel de CAO pour la conception des circuits. Les ingénieurs prendront particulièrement en compte les exigences de dissipation thermique et les performances de transmission des signaux haute fréquence des circuits imprimés en céramique afin de garantir une configuration à la fois raisonnable et fiable.

2. Préparation du substrat

Découpez les substrats céramiques (parmi les plus courants, on trouve Al₂O₃ et AlN) aux dimensions requises, puis polissez-les et nettoyez-les. Cette étape permet de garantir une surface plane, exempte de poussière et d'impuretés, facilitant ainsi les opérations ultérieures.

3. Sérigraphie ou dépôt de couches minces

Des pâtes conductrices telles que l'argent (Ag), l'or (Au) et le cuivre (Cu) sont imprimées à la surface de substrats céramiques pour former des pistes de circuit. Le procédé de dépôt de couches minces permet également de déposer des couches conductrices plus fines, ce qui le rend idéal pour les circuits de haute précision.

4. Via perçage et métallisation

Des vias sont créés à travers le substrat par perçage laser ou mécanique. Un traitement de métallisation est ensuite réalisé à l'intérieur du trou pour établir des interconnexions fiables entre les couches du circuit.

5. Empilage et plastification

S'il s'agit d'un circuit imprimé céramique multicouche, les substrats multicouches seront alignés avec précision et laminés ensemble pour former une structure multicouche. Cela permet des interconnexions haute densité et des conceptions de circuits plus complexes.

6. Frittage/Cuisson

Le substrat en céramique laminé est placé dans un four à haute température et fritté à 850 à 1700 °C pour lier fermement les couches de céramique et de métal, garantissant ainsi la stabilité et la résistance du circuit imprimé.

7. Finition de la surface

Les traitements ENIG, ENEPIG, argenture par immersion ou étain par immersion sont appliqués à la surface du circuit imprimé. Ces traitements améliorent la soudabilité et préviennent l'oxydation de la couche de cuivre.

8. Assemblage et tests

Des composants montés en surface (CMS) sont installés sur le circuit imprimé pour assurer les fonctions de base du circuit. Des tests électriques et de fiabilité thermique sont ensuite effectués pour garantir le bon fonctionnement du circuit imprimé céramique.

9. Profilage et emballage final

L'étape finale consiste à découper ou à rainurer le circuit imprimé pour finaliser la mise en forme. Les produits finis qualifiés seront emballés et préparés pour l'expédition par le fabricant de circuits imprimés en céramique.

PCB en céramique vs PCB à noyau FR4 et métallique

• FR4: peu coûteux mais peu efficace en termes de dissipation de la chaleur.

• MCPCB:équilibre entre coût et performance.

• PCB en céramique:conductivité thermique supérieure, mais très chère.

Conclusion

Les circuits imprimés en céramique constituent un choix incontournable pour l'assemblage électronique haute performance. Ils allient conductivité thermique élevée, excellentes performances électriques, durabilité et résistance à la corrosion chimique, et gagnent ainsi en importance dans des secteurs tels que l'aérospatiale, l'automobile, les télécommunications, la défense, les LED et les équipements médicaux.

Bien que les PCB en céramique soient plus chers que les PCB FR4 ou à noyau métallique et soient plus fragiles, ils peuvent améliorer la fiabilité à long terme, réduire les exigences de dissipation thermique, prolongeant ainsi la durée de vie des produits électroniques et réduisant globalement les coûts.