Keramiska kretskort – En komplett guide

De flesta traditionella kretskort använder FR4 eller epoxiharts som basmaterial, vilket är lämpligt för vanliga konsumentelektronikprodukter. De klarar dock ofta inte av hög effekt och högfrekventa förhållanden. För att lösa dessa problem började ingenjörer välja keramiska kretskort.

Ett keramiskt kretskort är inte ett enkelt alternativ till ett vanligt kretskort, utan en mer avancerad teknik. Det har utmärkt värmeledningsförmåga, elektrisk isolering och dimensionsstabilitet. Med andra ord kan keramiska substrat-kretskort fortfarande fungera stabilt och tillförlitligt i miljöer med hög temperatur, starka vibrationer eller korrosiva miljöer, vilket gör dem mycket lämpliga för områden som flyg- och rymdindustrin, försvar, fordonselektronik, medicinsk utrustning och 5G-kommunikation.

I den här omfattande guiden tar vi dig igenom en grundlig förståelse av keramiska kretskort: vad det är, dess funktioner, vanliga material och typer, specifika applikationsscenarier, tillverkningsprocesser och skillnaderna mellan det och FR4 och MCPCB.

Vad är en keramisk PCB?

Ett keramiskt kretskort är en speciell typ av kretskort. Dess substrat är inte tillverkat av traditionellt glasfiberepoxiharts (FR4), utan avancerade keramiska material som aluminiumoxid (Al₂O₃), aluminiumnitrid (AlN), berylliumoxid (BeO), kiselkarbid (SiC) eller bornitrid (BN). Keramik används istället för organiska material; keramiska kretskort har egenskaper som vanliga kretskort inte har, såsom värmeledningsförmåga, elektrisk isolering och kemisk korrosionsbeständighet.

Det är just på grund av dessa egenskaper som keramiska substrat-PCB används i stor utsträckning inom högeffektselektronik, RF- och mikrovågssystem, flyg- och rymdteknik, försvarsutrustning, kraftmoduler för fordon, LED-belysning och andra applikationer som kräver hög tillförlitlighet.

Till skillnad från ett MCPCB (metallkärnkretskort), som använder metalllager för att underlätta värmeavledning, integrerar ett keramiskt kretskort hög värmeledningsförmåga direkt i sitt substrat. Det innebär att det vanligtvis inte kräver ytterligare kylflänsar, systemdesignen är enklare och det kan också stödja mindre och mer densitetsrika kretsar.

Enkelt uttryckt är det keramiska kretskortet inte bara en ersättning för FR4, utan snarare en mer avancerad kretslösning av den nya generationen. Det kan upprätthålla stabil drift i högtemperatur-, högfrekventa och korrosiva miljöer, samtidigt som det ger långsiktig tillförlitlighet i kritiska applikationer.

Viktiga funktioner hos keramiska kretskort

Prestandan hos keramiska kretskort beror huvudsakligen på följande framträdande egenskaper:

Värmeledningsförmåga

Den mest anmärkningsvärda egenskapen hos ett keramiskt kretskort är dess snabba värmeavledning. Värmeledningsförmågan hos ett vanligt FR4-kretskort är endast cirka 0.3 W/m·K, medan värmeledningsförmågan hos aluminiumoxid (Al₂O₃) kan nå 20–30 W/m·K, och värmeledningsförmågan hos aluminiumnitrid (AlN) överstiger till och med 200 W/m·K. Detta innebär att värmen från det keramiska kretskortet kan avledas 20 till 100 gånger snabbare än hos traditionella kort, vilket effektivt undviker överhettning av komponenter och förbättrar tillförlitligheten.

Elektrisk isolering

Ett keramiskt kretskortssubstrat har utmärkt elektrisk isolering. Material som aluminiumoxid och aluminiumnitrid har låg dielektrisk förlust och stabila dielektriska konstanter, vilket kan minska signalläckage. Detta gör keramiska kretskort till ett idealiskt val för radiofrekvens (RF), mikrovågsugn och höghastighetsdigitala kretsar, vilket säkerställer stabila och tillförlitliga signaler.

Dimensionell stabilitet

Keramiska kretskort expanderar knappt vid temperaturförändringar, och deras värmeutvidgningskoefficient (CTE) ligger nära den för kiselchips. Detta minskar påfrestningen från termiska cykler på kretskort och chips, vilket gör keramiska substrat-kretskort mycket tillförlitliga i halvledarkapsling.

Mekanisk styrka

Keramiska kretskort har en stark struktur och tål vibrationer, stötar och mekanisk belastning. Denna hållbarhet är av stor betydelse inom områden som flyg- och rymdteknik, fordonselektronik och försvarselektronik.

Kemisk resistans

Till skillnad från FR4 eller vissa MCPCB-kretskort kan keramiska substrat-kretskort motstå korrosion från kemikalier, lösningsmedel och fukt. Detta gör att keramiska kretskort kan användas säkert i tuffa miljöer som medicinsk utrustning, industriell automation och energi.

Keramiska PCB-material

Vid industriell kretskortsdesign påverkar valet av substratmaterial direkt kretskortets prestanda. Olika keramiska material har sin egen unika värmeledningsförmåga, mekaniska egenskaper och elektriska prestanda och är därför lämpliga för olika typer av elektroniska applikationer.

Följande tabell listar flera vanliga keramiska kretskortsmaterial, tillsammans med deras värmeledningsförmåga, huvudegenskaper och typiska tillämpningar, och fungerar som referens för design och materialval.

Typer av keramiska PCB

Om PCBasic

Tid är pengar i dina projekt – och PCBasic får det. PCGrundläggande är en PCB monteringsföretag som ger snabba, felfria resultat varje gång. Vår omfattande PCB monteringstjänster inkludera expertkunskapsstöd i varje steg, vilket säkerställer högsta kvalitet på varje kretskort. Som en ledande Tillverkare av PCB-montage, Vi erbjuder en komplett lösning som effektiviserar din leveranskedja. Samarbeta med våra avancerade PCB-prototypfabrik för snabba leveranser och överlägsna resultat du kan lita på.

Tillämpningar av keramiska PCB

Det keramiska kretskortets mångsidighet gör det oumbärligt i många branscher:

• LED-belysning: Högeffekts-LED-lampor drar nytta av keramiska substrat som eliminerar behovet av kylflänsar.

• Bilelektronik: Används i styrenheter, energihantering och elbilsmoduler där vibrationer och värme är utmaningar.

• Flyg- och försvarsindustrin: Radarmoduler, missilstyrning, avionik – pålitliga keramiska kretskort under extrema förhållanden.

• Telekommunikation: RF-förstärkare, mikrovågskretsar och 5G-infrastruktur är beroende av keramiska PCB-substrat för signalintegritet.

• Medicintekniska produkter: Implantabla och diagnostisk utrustning behöver biokompatibla och kemiskt resistenta keramiska kretskort.

• Industriell kraftelektronik: Växelriktare, omvandlare och förnybara energisystem drar nytta av högeffekts keramiska substrat-PCB:er.

• Halvledarkapsling: Chipbärare och hybridmikroelektronik använder flerskiktade keramiska kretskort för hög densitet och termisk kontroll.

Tillverkningsprocessöversikt

Att tillverka ett keramiskt kretskort är inte en enkel process. Det involverar flera professionella steg, som vart och ett påverkar det slutliga kretskortets prestanda och tillförlitlighet.

1. Design och layout

Använd först CAD-programvara för kretsdesign. Ingenjörer kommer särskilt att beakta värmeavledningskraven och prestandan för högfrekvent signalöverföring hos keramiska kretskort för att säkerställa att kretslayouten är både rimlig och tillförlitlig.

2. Förberedelse av underlag

Skär de keramiska substratmaterialen (vanliga material inkluderar Al₂O₃ och AlN) i önskade storlekar och polera och rengör dem sedan. Detta steg är till för att säkerställa att substratytan är plan, fri från damm och föroreningar, vilket underlättar efterföljande processer.

3. Screentryck eller tunnfilmsdeponering

Ledande pastor som silver (Ag), guld (Au) och koppar (Cu) trycks på ytan av keramiska substrat för att bilda kretsspår. Tunnfilmsprocessen kan också avsätta finare ledande lager, vilket gör den lämplig för högprecisionskretsar.

4. Via borrning och metallisering

Använd laser- eller mekanisk borrning för att skapa vias genom substratet. Därefter utförs metalliseringsbehandling inuti hålet för att etablera tillförlitliga sammankopplingar mellan kretslagren.

5. Stapling och laminering

Om det är ett flerskiktat keramiskt kretskort kommer flerskiktssubstraten att vara exakt justerade och laminerade tillsammans för att bilda en flerskiktsstruktur. Detta kan stödja högdensitetssammankopplingar och mer komplexa kretsdesigner.

6. Sintring/Bränning

Det laminerade keramiska substratet placeras i en högtemperaturugn och sintras vid 850 till 1700 °C för att ordentligt binda keramik- och metallskikten, vilket säkerställer kretskortets stabilitet och styrka.

7. Ytfinish

ENIG, ENEPIG, immersionssilver eller immersionstenn används på kretskortets yta. Dessa behandlingar kan förbättra lödbarheten och förhindra att kopparskiktet oxiderar.

8. Montering och testning

Installera ytmonterade enheter (SMD) på kretskortet för att slutföra de grundläggande kretsfunktionerna. Därefter kommer även elektriska tester och termiska tillförlitlighetstester att utföras för att säkerställa att det keramiska kretskortet kan fungera normalt.

9. Slutprofilering och paketering

Det sista steget är att skära eller V-forma kretskortet för att slutföra formbearbetningen. Kvalificerade färdiga produkter kommer att förpackas och förberedas för leverans av tillverkaren av keramiska kretskort.

Keramiskt kretskort kontra FR4- och metallkärnkretskort

• FR4billig men dålig på värmeavledning.

• MCPCBbalans mellan kostnad och prestanda.

• Keramisk kretskortöverlägsen värmeledningsförmåga, men mycket dyr.

Slutsats

Keramiska kretskort är det viktigaste valet för högpresterande elektronisk montering. De kombinerar hög värmeledningsförmåga, utmärkt elektrisk prestanda, hållbarhet och kemisk korrosionsbeständighet, och blir därför allt viktigare inom områden som flyg- och rymdteknik, bilar, telekommunikation, försvar, LED och medicinsk utrustning.

Även om keramiska kretskort är dyrare än FR4- eller metallkärnkretskort och är mer ömtåliga, kan de förbättra den långsiktiga tillförlitligheten, minska värmeavledningskraven och därigenom förlänga livslängden för elektroniska produkter och totalt sett spara kostnader.