Keramische printplaten – een complete gids

De meeste traditionele printplaten gebruiken FR4 of epoxyhars als basismateriaal, wat geschikt is voor gewone consumentenelektronica. Ze zijn echter vaak niet bestand tegen hoge vermogens en hoge frequenties. Om deze problemen op te lossen, begonnen ingenieurs te kiezen voor keramische printplaten.

Een keramische printplaat is geen eenvoudig alternatief voor de gewone printplaat, maar een geavanceerdere technologie. De printplaat heeft een uitstekende thermische geleidbaarheid, elektrische isolatie en maatvastheid. Met andere woorden, keramische substraat-printplaten kunnen stabiel en betrouwbaar functioneren in omgevingen met hoge temperaturen, sterke trillingen of corrosie, waardoor ze zeer geschikt zijn voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, defensie, auto-elektronica, medische apparatuur en 5G-communicatie.

In deze uitgebreide gids geven we u een grondige uitleg van keramische PCB's: wat het is, de kenmerken ervan, veelgebruikte materialen en typen, specifieke toepassingsscenario's, productieprocessen en de verschillen tussen keramische PCB's en FR4 en MCPCB.

Wat is een keramische PCB?

Een keramische printplaat (PCB) is een speciaal type printplaat. Het substraat is niet gemaakt van traditionele glasvezel-epoxyhars (FR4), maar van geavanceerde keramische materialen zoals aluminiumoxide (Al₂O₃), aluminiumnitride (AlN), berylliumoxide (BeO), siliciumcarbide (SiC) of boornitride (BN). Keramische materialen worden gebruikt in plaats van organische materialen; keramische printplaten bezitten eigenschappen die gewone printplaten niet hebben, zoals thermische geleidbaarheid, elektrische isolatie en chemische corrosiebestendigheid.

Juist vanwege deze eigenschappen worden keramische substraat-PCB's veelvuldig gebruikt in elektronica met hoog vermogen, RF- en microgolfsystemen, de lucht- en ruimtevaart, defensie-apparatuur, vermogensmodules voor de automobielindustrie, LED-verlichting en andere toepassingen waarbij een hoge betrouwbaarheid vereist is.

In tegenstelling tot een MCPCB (metal core circuit board), die afhankelijk is van metaallagen voor warmteafvoer, integreert een keramische printplaat zelf een hoge thermische geleidbaarheid direct in het substraat. Dit betekent dat er doorgaans geen extra koellichamen nodig zijn, het systeemontwerp eenvoudiger is en dat de printplaat ook kleinere circuits met een hogere dichtheid kan ondersteunen.

Simpel gezegd is de keramische printplaat niet zomaar een vervanging voor de FR4, maar eerder een geavanceerdere nieuwe generatie circuitoplossing. Deze kan een stabiele werking handhaven in omgevingen met hoge temperaturen, hoge frequenties en corrosie, en biedt tegelijkertijd langdurige betrouwbaarheid in kritische toepassingen.

Belangrijkste kenmerken van keramische printplaten

De prestaties van keramische printplaten zijn voornamelijk te danken aan de volgende opvallende kenmerken:

Warmtegeleiding

De meest opvallende eigenschap van een keramische printplaat is de snelle warmteafvoer. De thermische geleidbaarheid van een gangbare FR4-printplaat bedraagt ​​slechts ongeveer 0.3 W/m·K, terwijl die van aluminiumoxide (Al₂O₃) kan oplopen tot 20-30 W/m·K en die van aluminiumnitride (AlN) zelfs meer dan 200 W/m·K. Dit betekent dat de warmte van een keramische printplaat 20 tot 100 keer sneller kan worden afgevoerd dan die van traditionele printplaten, waardoor oververhitting van componenten effectief wordt voorkomen en de betrouwbaarheid wordt verbeterd.

Elektrische isolatie

Een keramisch PCB-substraat heeft een uitstekende elektrische isolatie. Materialen zoals aluminiumoxide en aluminiumnitride hebben een laag diëlektrisch verlies en stabiele diëlektrische constanten, wat signaallekkage kan verminderen. Dit maakt keramische PCB's een ideale keuze voor radiofrequentie (RF), microgolf- en snelle digitale circuits, en garandeert stabiele en betrouwbare signalen.

Dimensiestabiliteit

Keramische printplaten zetten nauwelijks uit bij temperatuurveranderingen en hun thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) ligt dicht bij die van siliciumchips. Dit vermindert de spanning van thermische cycli op printplaten en chips, waardoor keramische substraat-PCB's zeer betrouwbaar zijn in halfgeleiderbehuizingen.

Mechanische kracht

Keramische printplaten hebben een sterke structuur en zijn bestand tegen trillingen, schokken en mechanische belasting. Deze duurzaamheid is van groot belang in sectoren zoals de lucht- en ruimtevaart, auto-elektronica en defensie-elektronica.

Chemische weerstand

In tegenstelling tot FR4 of sommige MCPCB's zijn keramische substraat-PCB's bestand tegen corrosie door chemicaliën, oplosmiddelen en vocht. Dit maakt keramische PCB's veilig te gebruiken in veeleisende omgevingen zoals medische apparatuur, industriële automatisering en energie.

Keramische PCB-materialen

Bij industrieel PCB-ontwerp heeft de keuze van het substraatmateriaal direct invloed op de prestaties van de printplaat. Verschillende keramische materialen hebben hun eigen unieke thermische geleidbaarheid, mechanische eigenschappen en elektrische prestaties en zijn daarom geschikt voor diverse elektronische toepassingen.

In de onderstaande tabel staan ​​enkele veelvoorkomende keramische PCB-materialen, samen met hun thermische geleidbaarheid, belangrijkste kenmerken en typische toepassingen. Deze tabel dient als referentie voor ontwerp en materiaalkeuze.

Soorten keramische PCB's

Over PCBasic

Tijd is geld in uw projecten – en PCB-basis begrijpt het. PCBasic is een PCB-assemblagebedrijf: die elke keer snelle, vlekkeloze resultaten levert. Onze uitgebreide PCB-assemblagediensten: bieden deskundige technische ondersteuning bij elke stap, waardoor topkwaliteit in elk bord wordt gegarandeerd. Als toonaangevend Fabrikant van PCB-assemblage:, Wij bieden een totaaloplossing die uw toeleveringsketen stroomlijnt. Werk samen met onze geavanceerde PCB-prototypefabriek voor snelle doorlooptijden en superieure resultaten waarop u kunt vertrouwen.

Toepassingen van keramische PCB's

De veelzijdigheid van keramische printplaten maakt ze onmisbaar in veel industrieën:

• LED-verlichting: Krachtige LED's profiteren van keramische substraten, waardoor er geen koellichamen nodig zijn.

• Auto-elektronica: Wordt gebruikt in ECU's, energiebeheer en EV-modules waar trillingen en hitte een probleem vormen.

• Lucht- en ruimtevaart en defensie: Radarmodules, raketgeleiding, avionica – betrouwbare keramische printplaten onder extreme omstandigheden.

• Telecommunicatie: RF-versterkers, microgolfcircuits en 5G-infrastructuur zijn afhankelijk van keramische PCB-substraten voor signaalintegriteit.

• Medische hulpmiddelen: Implantaten en diagnostische apparatuur hebben biocompatibele en chemisch bestendige keramische PCB's nodig.

• Industriële vermogenselektronica: Omvormers, omvormers en systemen voor hernieuwbare energie profiteren van keramische substraat-PCB's met hoog vermogen.

• Halfgeleiderverpakking: Chipdragers en hybride micro-elektronica maken gebruik van meerlaagse keramische printplaten voor een hoge dichtheid en thermische controle.

Overzicht van het productieproces

Het vervaardigen van een keramische printplaat is geen eenvoudig proces. Het omvat meerdere professionele stappen, die elk van invloed zijn op de prestaties en betrouwbaarheid van de uiteindelijke printplaat.

1. Ontwerp en lay-out

Gebruik allereerst CAD-software voor het ontwerpen van circuits. Ingenieurs houden met name rekening met de warmteafvoervereisten en de hoogfrequente signaaloverdrachtprestaties van keramische printplaten om ervoor te zorgen dat de circuitopmaak zowel redelijk als betrouwbaar is.

2. Substraatvoorbereiding

Snijd de keramische substraatmaterialen (veelgebruikte materialen zijn Al₂O₃ en AlN) in de gewenste maten, polijst en reinig ze. Deze stap zorgt ervoor dat het substraatoppervlak vlak is en vrij van stof en onzuiverheden, wat de daaropvolgende processen vergemakkelijkt.

3. Zeefdruk of dunnefilmdepositie

Geleidende pasta's zoals zilver (Ag), goud (Au) en koper (Cu) worden op het oppervlak van keramische substraten geprint om circuitsporen te vormen. Het dunnefilmproces kan ook fijnere geleidende lagen afzetten, waardoor het geschikt is voor zeer nauwkeurige circuits.

4. Via boren en metallisatie

Gebruik laser- of mechanisch boren om via's door het substraat te creëren. Vervolgens wordt in het gat een metallisatiebehandeling uitgevoerd om betrouwbare verbindingen tussen de circuitlagen tot stand te brengen.

5. Stapelen en lamineren

Bij een meerlaagse keramische printplaat worden de meerlaagse substraten nauwkeurig uitgelijnd en aan elkaar gelamineerd om een ​​meerlaagse structuur te vormen. Dit ondersteunt verbindingen met hoge dichtheid en complexere circuitontwerpen.

6. Sinteren/Branden

Het gelamineerde keramische substraat wordt in een hogetemperatuuroven geplaatst en gesinterd bij een temperatuur van 850 tot 1700 °C. Hierdoor worden de keramische en metalen lagen stevig met elkaar verbonden en wordt de stabiliteit en stevigheid van de printplaat gewaarborgd.

7. Oppervlakteafwerking

ENIG, ENEPIG, immersiezilver of immersietin worden op het oppervlak van de printplaat aangebracht. Deze behandelingen kunnen de soldeerbaarheid verbeteren en oxideren van de koperlaag voorkomen.

8. Montage en testen

Installeer SMD's (surface-mount devices) op de printplaat om de basisfuncties van het circuit te voltooien. Daarna worden ook elektrische tests en thermische betrouwbaarheidstests uitgevoerd om te garanderen dat de keramische printplaat normaal kan functioneren.

9. Eindprofilering en verpakking

De laatste stap is het snijden of V-snijden van de printplaat om de vormverwerking te voltooien. De gekwalificeerde eindproducten worden door de fabrikant van de keramische printplaat verpakt en klaargemaakt voor verzending.

Keramische PCB versus FR4 & Metal Core PCB's

• FR4: goedkoop, maar slechte warmteafvoer.

• MCPCB: evenwicht tussen kosten en prestaties.

• Keramische printplaat: superieure thermische geleidbaarheid, maar erg duur.

Conclusie

Keramische printplaten zijn de beste keuze voor hoogwaardige elektronische assemblage. Ze combineren een hoge thermische geleidbaarheid, uitstekende elektrische prestaties, duurzaamheid en chemische corrosiebestendigheid en worden daarom steeds belangrijker in sectoren zoals de lucht- en ruimtevaart, auto's, telecommunicatie, defensie, LED's en medische apparatuur.

Hoewel keramische printplaten duurder zijn dan FR4- of metalen kern-printplaten en ze kwetsbaarder zijn, kunnen ze de betrouwbaarheid op lange termijn verhogen, de eisen aan warmteafvoer verlagen en daarmee de levensduur van elektronische producten verlengen. Ook besparen ze over het algemeen kosten.