Présentation des PCB en céramique

Un substrat céramique pour circuit imprimé est un procédé spécial de fabrication de circuits imprimés, avec une feuille de cuivre directement collée à la surface (simple ou double face) d'un substrat céramique en alumine (Al₂O₃) ou en nitrure d'aluminium (AlN) à haute température. Ce substrat composite ultra-fin présente une excellente isolation électrique, une conductivité thermique élevée, une excellente soudabilité et une forte adhérence. Il permet de graver divers motifs, ce qui lui confère une excellente capacité de transport de courant. C'est pourquoi le substrat céramique pour circuit imprimé est devenu le matériau de base des technologies de structure de circuits électroniques de puissance et d'interconnexion.

L'avènement des substrats céramiques pour circuits imprimés a marqué le début d'un nouveau développement dans le secteur de la dissipation thermique. Grâce à leurs caractéristiques de dissipation thermique et à leurs avantages tels qu'une dissipation thermique élevée, une faible résistance thermique, une longue durée de vie et une bonne tenue en tension, l'amélioration des technologies et des équipements de production a permis d'accélérer et de rationaliser les prix des produits, élargissant ainsi les domaines d'application de l'industrie LED, tels que les voyants lumineux pour appareils électroménagers, les éclairages automobiles, les lampadaires et les grands panneaux d'affichage extérieurs. 

Le développement réussi du substrat PCB en céramique offre un meilleur service pour les produits d'éclairage intérieur et extérieur et donne à l'industrie LED un marché plus large à l'avenir.

Types de PCB en céramique Dpartagé par Materials

Les circuits imprimés en céramique peuvent être classés selon les matériaux utilisés. Les matériaux les plus courants sont l'oxyde d'aluminium, le nitrure d'aluminium et le nitrure de silicium. Leurs performances varient en termes de dissipation thermique, d'isolation et de résistance. Le choix du bon matériau peut permettre d'adapter le circuit imprimé à vos besoins réels.

1. PCB en céramique d'alumine

Le substrat en céramique d'alumine pour circuits imprimés est le matériau le plus couramment utilisé dans l'industrie électronique. Grâce à sa résistance et sa stabilité chimique supérieures à celles de la plupart des autres céramiques oxydées en termes de propriétés mécaniques, thermiques et électriques, et à l'abondance de ses matières premières, il convient à diverses techniques de fabrication et à différentes formes. Le substrat en alumine est personnalisable en trois dimensions.

2. PCB en céramique d'oxyde de béryllium

Sa conductivité thermique est supérieure à celle de l'aluminium, ce qui permet de l'utiliser dans les situations où une conductivité thermique élevée est requise. Cependant, elle diminue rapidement lorsque la température dépasse 300 °C. Le plus important est que sa toxicité limite son développement.

Les céramiques à base d'oxyde de béryllium sont des céramiques dont le composant principal est l'oxyde de béryllium. Elles sont principalement utilisées comme substrats de circuits intégrés de grande taille, tubes laser à gaz haute puissance, enveloppes de dissipateurs thermiques de transistors, fenêtres de sortie micro-ondes et modérateurs de neutrons.

3. PCB en céramique de nitrure d'aluminium

L'AlN présente deux propriétés importantes à souligner : une conductivité thermique élevée et un coefficient de dilatation comparable à celui du silicium. L'inconvénient est que même une très fine couche d'oxyde en surface affecte la conductivité thermique. Seul un contrôle strict des matériaux et des procédés permet de fabriquer des substrats en AlN avec une bonne régularité. En Chine, peu de technologies de production d'AlN permettent une production à grande échelle comme le Sliton, et son prix relativement élevé par rapport à celui de l'Al₂O₃ constitue également un frein à son développement. Cependant, avec l'amélioration de l'économie et des technologies, ce frein finira par disparaître.

D'après les raisons ci-dessus, on peut savoir que les céramiques d'alumine sont largement utilisées en raison de leurs performances globales supérieures, et elles occupent toujours une position dominante dans la microélectronique, l'électronique de puissance, la microélectronique hybride, les modules de puissance et d'autres domaines.

L'AlN peut être stabilisé jusqu'à 2200 °C. Sa résistance est élevée à température ambiante et diminue lentement avec la température. Il présente une bonne conductivité thermique, un faible coefficient de dilatation thermique et une bonne résistance aux chocs thermiques. Sa forte résistance à l'érosion par le métal fondu en fait un matériau de creuset idéal pour la fusion et la coulée de fer pur, d'aluminium ou d'alliages d'aluminium. 

Le nitrure d'aluminium est également un isolant électrique doté de bonnes propriétés diélectriques et promet une utilisation comme composant électrique. Le revêtement de nitrure d'aluminium recouvrant la surface de l'arséniure de gallium le protège de l'implantation ionique lors du recuit. C'est également un catalyseur pour la conversion du nitrure de bore hexagonal en nitrure de bore cubique. Il réagit lentement avec l'eau à température ambiante. Il peut être synthétisé à partir de poudre d'aluminium à 800-1000 °C sous atmosphère d'ammoniac ou d'azote. Le produit obtenu est une poudre blanche à gris-bleu. Il est synthétisé par réaction du système Al₂O₃-C-N₂ à 2-3 °C, et le produit obtenu est une poudre blanc cassé. Le chlorure d'aluminium et l'ammoniac sont préparés par réaction en phase gazeuse. Le revêtement peut être synthétisé à partir du système AlCl₃-NH₃ par dépôt en phase gazeuse.

4. PCB en céramique de nitrure de silicium

Rogers Company a lancé le nouveau substrat PCB en céramique de nitrure de silicium (Si3N4) de la série curamik® en 2012. La résistance mécanique du nitrure de silicium étant supérieure à celle des autres céramiques, le nouveau substrat curamik® peut aider les concepteurs à obtenir une longue durée de vie dans des environnements de travail difficiles et dans les applications HEV/EV et autres applications d'énergie renouvelable.

La résistance à la flexion du nouveau substrat PCB en céramique en nitrure de silicium est supérieure à celle du substrat en Al2O3 et AlN.

La ténacité à la fracture du Si3N4 dépasse même celle des céramiques dopées à la zircone.

Jusqu'à présent, la fiabilité des substrats de circuits imprimés en céramique cuivrée utilisés dans les modules de puissance était limitée par leur faible résistance à la flexion, ce qui réduisait leur capacité de résistance aux cycles thermiques. Pour les applications combinant des contraintes thermiques et mécaniques extrêmes, comme les véhicules hybrides et électriques (HEV/EV), les substrats de circuits imprimés en céramique couramment utilisés ne constituent pas la meilleure solution. Les coefficients de dilatation thermique du substrat (circuit imprimé en céramique) et du conducteur (cuivre) étant très différents, une pression s'exerce sur la zone de liaison pendant le cycle thermique, réduisant ainsi la fiabilité. Ce substrat de circuit imprimé en céramique au nitrure de silicium (Si3N4) de la série curamik®, présenté par Rogers Company au salon PCIM de cette année, permettra de multiplier par dix la durée de vie des modules électroniques de puissance.

Processus de fabrication de PCB en céramique

La fabrication de circuits imprimés en céramique doit impérativement suivre une série d'étapes précises. Toutes ces étapes doivent garantir que le circuit imprimé en céramique fabriqué répond parfaitement à sa fonction.

1. La première étape de la fabrication d’un PCB en céramique consiste à analyser les besoins, la résistance requise, la rigidité et les propriétés associées à sa conductivité.

2. Deuxièmement, il est nécessaire de choisir un substrat céramique adapté à la carte PCB. Comme pour tout produit, chaque matériau répond à des besoins spécifiques. L'alumine est un choix populaire pour les projets à petit budget. Le nitrure d'aluminium et l'oxyde de béryllium sont utiles lorsqu'un projet exige une conductivité thermique élevée.

3. Une fois la base idéale pour notre circuit imprimé en céramique obtenue, il est temps de procéder à la gravure laser pour réaliser des empreintes sur le circuit. Ces gravures créent un chemin pour le passage du courant. Ensuite, selon la complexité du circuit, nous utilisons le dépôt de couches minces ou épaisses pour créer les pistes conductrices requises.

4. Vient ensuite l'étape cruciale : la cuisson de la carte à des températures élevées. Cette chaleur intense fusionne l'ensemble, créant ainsi un tout cohérent.

5. Mais ce n'est pas encore terminé. Le développement des circuits imprimés en céramique se poursuit par le perçage de trous pour la réalisation de supports permettant de connecter d'autres composants, comme pour la construction d'une ville miniature. Les circuits imprimés en céramique sont ensuite protégés par un revêtement anticorrosion.

6. Enfin, l'équipe d'assurance qualité observe et analyse attentivement l'ensemble du processus de fabrication des circuits imprimés en céramique. Chaque étape nécessitant une attention particulière aux détails, nous ne prenons aucun risque, car une seule erreur peut endommager l'ensemble du système électrique.

C'est exactement pourquoi nous recommandons toujours à nos clients de rechercher un fabricant de circuits imprimés en céramique de confiance comme PCBasiquePour plus d'informations ou pour obtenir un devis, visitez www.pcbasic.com.

Avantages de CPCB éramiques

◆ Le coefficient de dilatation thermique du substrat PCB en céramique est proche de celui de la puce de silicium, ce qui peut économiser la tranche de Mo de la couche de transition, économiser du travail, du matériel et réduire les coûts ;

◆ Réduire la couche de soudure, la résistance thermique, les vides et le rendement ;

◆ Sous la même capacité de transport de courant, la largeur de ligne d'une feuille de cuivre de 0.3 mm d'épaisseur dans un PCB en céramique n'est que de 10 % de celle des cartes de circuits imprimés ordinaires ;

◆ L'excellente conductivité thermique rend le boîtier de la puce très compact, augmentant ainsi considérablement la densité de puissance et améliorant la fiabilité du système et de l'appareil ;

◆ Le substrat PCB en céramique ultra-mince (0.25 mm) peut remplacer le BeO sans toxicité environnementale ;

◆ La capacité de transport de courant est importante : un courant de 100 A traverse en continu un corps en cuivre de 1 mm de large et 0.3 mm d'épaisseur, avec une augmentation de température d'environ 17 °C. Un courant de 100 A traverse en continu un corps en cuivre de 2 mm de large et 0.3 mm d'épaisseur, avec une augmentation de température d'environ 5 °C seulement.

◆ Faible résistance thermique. La résistance thermique d'un substrat PCB céramique de 10 × 10 mm est de 0.31 K/W pour un substrat PCB céramique de 0.63 mm, de 0.19 K/W pour un substrat PCB céramique de 0.38 mm et de 0.14 K/W pour un substrat PCB céramique de 0.25 mm.

◆ Haute isolation et tension de tenue, garantissant la sécurité personnelle et la capacité de protection de l'équipement.

◆ De nouvelles méthodes d’emballage et d’assemblage peuvent être réalisées, ce qui permet de rendre les produits hautement intégrés et de réduire le volume.

Performance Réquer pour CPCB éramiques

Dans les appareils électroniques fonctionnant sous haute puissance, haute fréquence et dans des environnements extrêmes, les circuits imprimés FR4 traditionnels ont du mal à répondre aux exigences strictes de dissipation thermique, de performances électriques et de stabilité. Les circuits imprimés en céramique sont devenus un choix idéal pour la nouvelle génération de boîtiers et de supports de circuits électroniques grâce à leur excellente conductivité thermique, leur isolation électrique et leur fiabilité. Examinons les principales exigences de performance des circuits imprimés en céramique.

Propriétés mécaniques

Doté d'une résistance mécanique élevée, le circuit imprimé en céramique peut également servir de support, en plus de supporter des composants. Il présente une bonne aptitude à l'usinage et une grande précision dimensionnelle ; il permet de réaliser facilement des multicouches, des surfaces lisses, sans déformation, flexion, ni microfissures, etc.

Propriétés électriques

Résistance d'isolement élevée et tension de claquage d'isolement ; Faible constante diélectrique ; Faible perte diélectrique ; Performances stables dans des conditions de température et d'humidité élevées, le PCB en céramique assure la fiabilité.

Propriétés thermiques

Conductivité thermique élevée ; Le coefficient de dilatation thermique est adapté aux matériaux associés (en particulier au coefficient de dilatation thermique du Si) ; Excellente résistance à la chaleur.

Autres propriétés

Bonne stabilité chimique; Métallisation facile, forte adhérence entre les motifs de circuit et eux; Pas d'hygroscopicité; Résistance à l'huile et aux produits chimiques; ɑ la quantité de rayonnement émise est faible; Les substances adoptées sont sans pollution et non toxiques; La structure cristalline ne change pas dans la plage de température d'utilisation; Matières premières riches; Technologie mature; Facile à fabriquer; Prix bas.

À propos de PCBaSic

Le temps, c'est de l'argent dans vos projets – et PCBasique l'obtient. PCBasic est une Entreprise d'assemblage de circuits imprimés qui offre des résultats rapides et impeccables à chaque fois. Notre gamme complète Services d'assemblage de circuits imprimés Nous offrons un soutien technique expert à chaque étape, garantissant une qualité optimale pour chaque carte. En tant que leader Fabricant d'assemblage de circuits imprimés, Nous proposons une solution complète pour optimiser votre chaîne d'approvisionnement. Faites appel à nos experts Usine de prototypes de PCB pour des délais d'exécution rapides et des résultats supérieurs auxquels vous pouvez faire confiance.

Applications de PCB en céramique

◆ Module semi-conducteur de haute puissance ; Réfrigérateur à semi-conducteur, chauffage électronique ; Circuit de contrôle de puissance RF, circuit hybride de puissance.

◆ Composants de puissance intelligents : alimentation à découpage haute fréquence et relais statique.

◆ Composants électroniques automobiles, aérospatiaux et électroniques militaires.

◆ Assemblage de panneaux solaires; Centrale privée de télécommunications, système de réception; Laser et autres appareils électroniques industriels.

Pourquoi utiliser des circuits imprimés en céramique plutôt que d’autres cartes ?

Comparé aux PCB FR4 traditionnels ou aux MCPCB à substrat métallique, le PCB à substrat céramique présente des avantages significatifs sur de nombreux indicateurs de performance clés. Sa conductivité thermique exceptionnelle, son coefficient de dilatation thermique extrêmement faible, son excellente isolation électrique et sa réponse en fréquence en font un choix idéal pour les dispositifs électroniques hautes performances et hautement fiables, particulièrement adaptés à l'électronique de puissance, aux communications radiofréquences et aux applications en environnements difficiles.

On peut ici constater les atouts multidimensionnels des circuits imprimés en céramique, notamment dans les applications haute puissance, haute fréquence et haute fiabilité. Ils surpassent les FR4 et les MCPCB dans des domaines clés, faisant des circuits imprimés en céramique le choix privilégié pour de nombreux systèmes électroniques avancés.

Conclusion

À mesure que les appareils électroniques deviennent plus compacts et plus puissants, la demande de solutions thermiques et électriques robustes augmente. Les circuits imprimés en céramique se distinguent par leurs performances supérieures dans des conditions extrêmes, ce qui les rend essentiels pour les applications haute fiabilité. Que vous conceviez pour l'automobile, l'aérospatiale ou les LED haute puissance, choisir le bon fabricant de circuits imprimés en céramique et le bon substrat en céramique peut garantir le succès à long terme de votre produit.