Керамическая печатная плата

Что такое керамическая печатная плата?

Керамическая печатная плата (ПП) представляет собой печатную плату с керамической подложкой, в которой медная фольга непосредственно соединяется с поверхностью керамической основы (оксид алюминия Al₂O₃ или нитрид алюминия AlN) при высоких температурах в одностороннем или двустороннем исполнении, образуя ультратонкую композитную структуру. Такая подложка обладает не только excellent электроизоляционными свойствами, высокой теплопроводностью и большой пропускной способностью по току, но также excellent паяемостью и высокой прочностью сцепления, а также позволяет травлить различные схемы, как обычная ПП.

Таким образом, керамическая подложка стала ключевым базовым материалом для силовой электроники и технологий соединения в мощных электронных схемах, особенно подходя для применений в высокомощных электронных устройствах, высокочастотных схемах и условиях высокотемпературной эксплуатации.

Виды керамических печатных плат

I. По материалам

1. Al₂O₃ — наиболее распространённый материал с хорошим сочетанием механических, тепловых и электрических характеристик.
2. BeO — обладает исключительно высокой теплопроводностью, но токсичен и теряет свойства при температуре выше 300°C.
3. AlN — отличается высокой теплопроводностью и совместимостью с кремнием, но требует строгого контроля производства.

II. По технологии производства

1. HTCC — высокотемпературное спекание (до 1600°C) с использованием тугоплавких металлов.
2. LTCC — низкотемпературное спекание (850-900°C) с добавлением стекла, позволяет использовать серебро, медь, золото.
3. DBC — прямое присоединение меди к керамике через эвтектическую реакцию.
4. DPC — прямое осаждение меди на подложку, современная и популярная технология.
5. LAM — лазерная металлизация, перспективная технология.

III. По конструкции

• Односторонние — простая структура для базовых применений
• Многослойные — сложные схемы с высокой плотностью монтажа
• Толстоплёночные — высокая надёжность для жёстких условий
• Тонкоплёночные — точные характеристики для ВЧ-устройств
• Гибридные — комбинация преимуществ разных материалов

Примечание: Выбор типа керамической ПП зависит от конкретных требований по теплоотводу, частоте работы, сложности схемы и условий эксплуатации.

Анализ преимуществ и недостатков керамических печатных плат (ПП)

I. Основные преимущества

• Превосходные тепловые характеристики

• Высокая теплопроводность (нитрид алюминия достигает 170-230 Вт/(м·К))
• Низкое тепловое сопротивление (0,14 К/Вт для подложки толщиной 0,25 мм)
• Эффективный отвод тепла: при токе 100А через дорожку шириной 2мм температура повышается примерно на 5°C

• Выдающиеся механические и электрические свойства

• Высокая механическая прочность и стабильность формы
• Отличные изоляционные свойства, стойкость к высокому напряжению
• Низкие диэлектрические потери, подходят для высокочастотных применений

• Превосходная термическая стабильность

• Широкий рабочий температурный диапазон (-55°C～850°C)
• Совместимый с кремниевыми чипами коэффициент теплового расширения
• Высокая стойкость к термическим циклам (до 50,000 циклов)

• Преимущества в проектировании и производстве

• Поддержка высокой плотности монтажа, миниатюризация устройств
• Возможность изготовления тонких проводников (ширина линии составляет 10% от обычной ПП)
• Сокращение паяльных слоев и переходных слоев, упрощение производства

• Экологическая устойчивость

• Стойкость к химической коррозии, устойчивость к вибрациям и ударам
• Экологическая безопасность, соответствие природоохранным требованиям
• Длительный срок службы, высокая надежность

II. Основные недостатки

• Фактор стоимости

• Высокая стоимость материалов (нитрид алюминия в 8 раз дороже оксида алюминия)
• Сложные производственные процессы, большие инвестиции в оборудование

• Ограничения механических свойств

• Высокая хрупкость материала, низкая ударная прочность
• Необходимость специальной защиты при обработке и транспортировке
• Ограничения по площади подложки, непригодность для крупных устройств

• Технологические challenges

• Строгие требования к производственным процессам
• Сложности контроля выхода годной продукции
• Трудности ремонта и переработки

Ключевые различия между керамическими и обычными печатными платами (ПП)

I. Сравнение базовых материалов

• Керамические ПП: используют керамические материалы, такие как оксид алюминия (Al₂O₃) и нитрид алюминия (AlN), обладающие врожденными преимуществами
• Обычные ПП: в основном используют субстраты FR-4 из эпоксидного стекловолокна, относятся к органическим композитным материалам

II. Ключевые различия в характеристиках

• Теплоотвод

• Керамические ПП: коэффициент теплопроводности 170-230 Вт/(м·К), исключительно высокая эффективность散热
• Обычные ПП: коэффициент теплопроводности всего 0,3-0,5 Вт/(м·К), ограниченные возможности теплоотвода

• Температурная адаптивность

• Керамические ПП: рабочий температурный диапазон от -55°C до 850°C, превосходная термическая стабильность
• Обычные ПП: термостойкость обычно не превышает 130°C, легко деформируются при высоких температурах

• Механические характеристики

• Керамические ПП: высокая твердость, стабильность размеров, но относительно хрупкие
• Обычные ПП: хорошая гибкость, но относительно низкая механическая прочность

• Электрические характеристики

• Керамические ПП: низкие диэлектрические потери, высокая изоляционная стойкость, подходят для высокочастотных применений
• Обычные ПП: большие потери на высоких частотах, ограниченные изоляционные свойства

III. Особенности технологических процессов

• Производственные процессы

• Керамические ПП: использование специальных технологий соединения, таких как DBC/DPC, сложные технологические этапы
• Обычные ПП: зрелые стандартные процессы производства ПП, простая технология

• Надежность

• Керамические ПП: устойчивы к коррозии, старению, длительный срок службы
• Обычные ПП: относительно слабая адаптивность к окружающей среде

IV. Разделение областей применения

• Сценарии применения керамических ПП

• Мощные силовые электронные устройства
• Высокочастотная связь и RF-модули
• Аэрокосмическая и военная техника
• Силовые модули автомобильной электроники
• Применения в условиях высоких температур

• Сценарии применения обычных ПП

• Потребительские электронные товары
• Стандартное промышленное управляющее оборудование
• Компьютеры и периферийные устройства
• Блоки управления бытовой техники
• Обычные электронные приборы и измерительное оборудование

V. Анализ экономической эффективности

• Керамические ПП: высокая стоимость материалов, сложные производственные процессы, дорогие
• Обычные ПП: очевидные преимущества в стоимости, подходят для крупносерийного производства

Подробное описание технологий производства керамических печатных плат

I. Обзор ключевых технологических процессов

Основные технологии производства керамических ПП включают:

• HTCC (высокотемпературная совместно обожжённая керамика)
• LTCC (низкотемпературная совместно обожжённая керамика)
• DBC (прямое присоединение меди)
• DPC (прямое гальваническое осаждение меди)

II. Основные технологические процессы

1. Технология DBC (прямое присоединение меди)

• Принцип процесса: Металлургическое соединение медной фольги с керамической подложкой через эвтектический расплав Cu-O при температурах 1065-1083°C в кислородсодержащей атмосфере
• Ключевые параметры:
• Толщина медной фольги: стандарт 0,3 мм
• Прочность сцепления: >18 Н/мм²
• Точность рисунка: 0,1 мм
• Технические особенности:
• Превосходная пропускная способность по току (повышение температуры всего на 5°C при токе 100А)
• Подходит для силовых модулей, таких как IGBT
• Подложка из нитрида алюминия требует предварительного окисления

2. Технология DPC (прямое гальваническое осаждение меди)

• Этапы процесса:
• Плазменная очистка поверхности
• Магнетронное напыление подслоя Ti/Cu (0,1-0,3 мкм)
• Гальваническое наращивание медного слоя (10-100 мкм)
• Технические преимущества:
• Высокая точность линий (ширина/зазор до 25 мкм)
• Низкотемпературный процесс (<300°C), сохраняет свойства материалов
• Подходит для применений в 5G и датчиках

3. Технологии HTCC/LTCC

• Характеристики HTCC:
• Температура спекания: 1300-1600°C
• Материал проводника: тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден)
• Преимущества: высокая механическая прочность
• Характеристики LTCC:
• Температура спекания: 850-900°C
• Материал проводника: серебро, медь и др.
• Преимущества: хорошая электропроводность, относительно низкая стоимость

III. Совместимость материалов и технологий

IV. Ключевые аспекты контроля качества

1. Контроль обработки подложки

• Требуемая плоскостность: ≤0,1 мм/м
• Точность резки: ±0,02 мм (сверхвысокое давление waterjet)
• Шероховатость поверхности: Ra ≤ 0,2 мкм

2. Контроль процесса спекания

• Кривая охлаждения для нитрида алюминия:
• 1600°C → 800°C: 3°C/мин
• 800°C → комнатная: 2°C/мин
• Контроль атмосферы: спекание в защитной азотной атмосфере

3. Меры предотвращения дефектов

• DBC: контроль микротрещин в медном слое, обеспечение прочности сцепления
• DPC: оптимизация параметров гальваники, обеспечение равномерности покрытия

V. Руководство по выбору технологии

Ключевые области применения керамических печатных плат (ПП)

I. Силовая электроника и энергетика

• Мощные полупроводниковые модули (IGBT, IPM)
• Силовые схемы управления и гибридные интегральные схемы
• Компоненты солнечных инверторов
• Высокочастотные импульсные источники питания и твердотельные реле
• Интеллектуальные силовые модули и системы управления

II. Промышленная и автомобильная электроника

• Системы управления автомобильной электроникой (управление двигателем, управление батареями)
• Промышленные преобразователи частоты и приводы двигателей
• Контрольно-измерительное оборудование для нефтехимической промышленности
• Полупроводниковые терморегулирующие устройства (охладители, нагреватели)
• Системы питания промышленных лазеров

III. Аэрокосмическая и военная техника

• Системы управления авионикой
• Военная связь
• Радарные и навигационные системы
• Электронные компоненты космических аппаратов
• Высоконадежные военные электронные модули

IV. Телекоммуникации и ВЧ-приложения

• ВЧ-модули базовых станций 5G
• Микроволновые фильтры и антенные системы
• Модули Bluetooth/WiFi/Ultra-Wideband
• Телевизионные тюнеры и фронтальные модули
• ПАВ-фильтры и дуплексеры

V. Оптоэлектроника и технологии отображения

• Мощные системы светодиодного освещения
• Высокояркие светодиодные дисплеи
• Схемы управления лазерами
• Модули оптической связи
• Системы оптоэлектронных датчиков

VI. Соответствие ключевых характеристик и применений

VII. Новые перспективные направления

• Системы управления электромобилями
• Устройства для интернета вещей (IoT)
• Вычислительные модули искусственного интеллекта
• Медицинская электроника
• Системы спутниковой связи

Благодаря своим уникальным комплексным характеристикам, керамические ПП находят применение не только в традиционных высокотехнологичных областях, но и расширяются в более широкие сферы электроники, обеспечивая ключевую технологическую поддержку для миниатюризации, повышения мощности и надежности электронных устройств следующего поколения.