Керамические печатные платы — полное руководство

В большинстве традиционных печатных плат в качестве базового материала используется FR4 или эпоксидная смола, подходящая для обычных потребительских электронных устройств. Однако они часто не выдерживают воздействия высокой мощности и высоких частот. Для решения этих проблем инженеры стали выбирать керамические печатные платы.

Керамическая печатная плата — это не просто альтернатива обычной печатной плате, а более передовая технология. Она обладает превосходной теплопроводностью, электроизоляцией и размерной стабильностью. Другими словами, печатные платы на керамической подложке способны стабильно и надёжно работать в условиях высоких температур, сильных вибраций и коррозионных сред, что делает их чрезвычайно подходящими для таких областей, как аэрокосмическая промышленность, оборонная промышленность, автомобильная электроника, медицинское оборудование и связь 5G.

В этом подробном руководстве мы подробно расскажем вам о керамических печатных платах: что это такое, их особенности, часто используемые материалы и типы, конкретные сценарии применения, производственные процессы, а также различия между ними и FR4 и MCPCB.

Что такое керамическая печатная плата?

Керамическая печатная плата — это особый тип печатной платы. Её подложка изготовлена ​​не из традиционного стекловолокна на основе эпоксидной смолы (FR4), а из современных керамических материалов, таких как оксид алюминия (Al₂O₃), нитрид алюминия (AlN), оксид бериллия (BeO), карбид кремния (SiC) или нитрид бора (BN). Керамика используется вместо органических материалов; керамические платы обладают свойствами, которых нет у обычных плат, такими как теплопроводность, электроизоляция и стойкость к химической коррозии.

Именно благодаря этим характеристикам керамические подложки печатных плат широко используются в электронике высокой мощности, СВЧ- и ВЧ-системах, аэрокосмической технике, оборонном оборудовании, автомобильных силовых модулях, светодиодном освещении и других приложениях, требующих высокой надежности.

В отличие от печатных плат с металлическим сердечником (MCPCB), где для рассеивания тепла используются металлические слои, керамическая печатная плата сама по себе обладает высокой теплопроводностью, интегрированной непосредственно в подложку. Это означает, что ей обычно не требуются дополнительные радиаторы, конструкция системы проще, и она также может поддерживать схемы меньшего размера и более высокой плотности.

Проще говоря, керамическая печатная плата — это не просто замена FR4, а более совершенное схемотехническое решение нового поколения. Она способна стабильно работать в условиях высоких температур, высоких частот и коррозионных сред, обеспечивая при этом долговременную надежность в критически важных приложениях.

Основные характеристики керамических печатных плат

Эффективность керамических печатных плат в основном обусловлена ​​следующими важными особенностями:

Теплопроводность

Наиболее примечательной особенностью керамической печатной платы является её быстрое рассеивание тепла. Теплопроводность обычной платы из материала FR4 составляет всего около 0.3 Вт/м·К, в то время как теплопроводность оксида алюминия (Al₂O₃) может достигать 20–30 Вт/м·К, а нитрида алюминия (AlN) даже превышает 200 Вт/м·К. Это означает, что тепло керамической платы рассеивается в 20–100 раз быстрее, чем у традиционных плат, что эффективно предотвращает перегрев компонентов и повышает надёжность.

Электрическая изоляция

Керамическая подложка печатной платы обладает превосходной электроизоляцией. Такие материалы, как оксид алюминия и нитрид алюминия, обладают низкими диэлектрическими потерями и стабильной диэлектрической проницаемостью, что позволяет снизить утечку сигнала. Это делает керамические печатные платы идеальным выбором для радиочастотных (РЧ), СВЧ и высокоскоростных цифровых схем, обеспечивая стабильные и надёжные сигналы.

Стабильность размеров

Керамические печатные платы практически не расширяются при изменении температуры, а их коэффициент теплового расширения (КТР) близок к коэффициенту теплового расширения (КТР) кремниевых чипов. Это снижает нагрузку на печатные платы и чипы при циклическом изменении температуры, обеспечивая высокую надёжность печатных плат с керамической подложкой в ​​корпусе полупроводниковых приборов.

Механическая сила

Керамические печатные платы обладают прочной структурой и способны выдерживать вибрацию, удары и механические нагрузки. Эта прочность имеет большое значение в таких областях, как аэрокосмическая, автомобильная и оборонная электроника.

Химическая устойчивость

В отличие от FR4 и некоторых MCPCB, керамические печатные платы устойчивы к коррозии, вызываемой химическими веществами, растворителями и влагой. Это позволяет безопасно использовать керамические печатные платы в агрессивных средах, таких как медицинское оборудование, промышленная автоматика и энергетика.

Керамические материалы для печатных плат

При проектировании промышленных печатных плат выбор материалов подложки напрямую влияет на её характеристики. Различные керамические материалы обладают уникальной теплопроводностью, механическими и электрическими характеристиками, что позволяет им подходить для различных типов электронных устройств.

В следующей таблице перечислены несколько распространенных керамических материалов для печатных плат, а также их теплопроводность, основные характеристики и типичные области применения, которые могут послужить справочным материалом при проектировании и выборе материала.

Типы керамических печатных плат

О PCBasic

Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCБазовый  - это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий производитель сборки печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.

Применение керамических печатных плат

Универсальность керамических печатных плат делает их незаменимыми во многих отраслях промышленности:

• Светодиодное освещение: Мощные светодиоды используют керамические подложки, которые исключают необходимость в радиаторах.

• Автомобильная электроника: Используется в электронных блоках управления, системах управления питанием и модулях электромобилей, где вибрации и нагрев представляют собой проблему.

• Аэрокосмическая промышленность и оборона: Модули радаров, наведение ракет, авионика – надежные керамические платы в экстремальных условиях.

• Телекоммуникации: ВЧ-усилители, СВЧ-схемы и инфраструктура 5G используют керамические подложки печатных плат для обеспечения целостности сигнала.

• Медицинские приборы: Для имплантируемых устройств и диагностического оборудования необходимы биосовместимые и химически стойкие керамические печатные платы.

• Промышленная силовая электроника: Инверторы, преобразователи и системы возобновляемой энергии выигрывают от использования мощных керамических печатных плат.

• Корпусирование полупроводников: В чипоносителях и гибридной микроэлектронике используются многослойные керамические печатные платы для обеспечения высокой плотности и терморегулирования.

Обзор производственного процесса

Изготовление керамической печатной платы — непростой процесс. Он включает в себя множество профессиональных этапов, каждый из которых влияет на производительность и надежность готовой печатной платы.

1. Дизайн и верстка

Во-первых, используйте САПР для проектирования схем. Инженеры уделяют особое внимание требованиям к рассеиванию тепла и характеристикам передачи высокочастотных сигналов керамических печатных плат, чтобы гарантировать разумность и надежность схемы.

2. Подготовка субстрата

Керамические материалы подложки (обычно Al₂O₃ и AlN) разрезаются на необходимые размеры, после чего полируются и очищаются. Это необходимо для того, чтобы поверхность подложки была ровной, без пыли и загрязнений, что облегчает последующие процессы.

3. Трафаретная печать или нанесение тонких пленок

Проводящие пасты, такие как серебро (Ag), золото (Au) и медь (Cu), наносятся на поверхность керамических подложек для формирования печатных плат. Тонкоплёночный метод позволяет также наносить более тонкие проводящие слои, что делает его пригодным для высокоточных схем.

4. Сверление отверстий и металлизация

С помощью лазерного или механического сверления в подложке создаются переходные отверстия. Затем внутри отверстия проводится металлизация для создания надёжных межсоединений между слоями схемы.

5. Укладка и ламинирование

Если это многослойная керамическая печатная плата, многослойные подложки будут точно выровнены и ламинированы вместе, образуя многослойную структуру. Это может обеспечить высокую плотность межсоединений и более сложные схемы.

6. Спекание/обжиг

Ламинированная керамическая подложка помещается в высокотемпературную печь и спекается при температуре от 850 до 1700 °C для прочного соединения керамических и металлических слоев, обеспечивая стабильность и прочность печатной платы.

7. Обработка поверхности

На поверхность печатной платы наносятся покрытия ENIG, ENEPIG, иммерсионным серебром или иммерсионным оловом. Эти методы обработки улучшают паяемость и предотвращают окисление медного слоя.

8. Сборка и тестирование

Установите компоненты поверхностного монтажа (SMD) на печатную плату для завершения основных функций схемы. После этого будут проведены электрические испытания и испытания на термическую надежность, чтобы убедиться в работоспособности керамической печатной платы.

9. Окончательное профилирование и упаковка

Заключительный этап — резка или V-образная надрезка печатной платы для завершения обработки формы. Готовая продукция, прошедшая сертификацию, упаковывается и подготавливается к отправке производителем керамических печатных плат.

Керамические печатные платы против FR4 и плат с металлическим сердечником

• FR4: недорогой, но плохо рассеивает тепло.

• MCPCB: баланс стоимости и производительности.

• Керамическая печатная плата: превосходная теплопроводность, но очень дорогая.

Заключение

Керамические печатные платы — ключевой выбор для высокопроизводительной электронной сборки. Они сочетают в себе высокую теплопроводность, превосходные электрические характеристики, долговечность и стойкость к химической коррозии, поэтому приобретают всё большую значимость в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, телекоммуникации, оборона, светодиодное и медицинское оборудование.

Хотя керамические печатные платы стоят дороже, чем печатные платы FR4 или с металлическим сердечником, и являются более хрупкими, они могут повысить долговременную надежность, снизить требования к рассеиванию тепла, тем самым продлевая срок службы электронных изделий и в целом экономя затраты.