Керамическая печатная плата (Ceramic PCB) — что это, зачем использовать и как изготавливать

В последнее время, из-за дефицита подложек для теплоотвода в светодиодах, а также чип-резисторов, конденсаторов и индуктивностей, в центре внимания оказался материал с давней историей — «керамическая подложка».

Когда мы слышим слово «керамика», обычно вспоминаем плитку или керамическую посуду. Однако в данном случае речь идёт о «тонкой (технической) керамике». Это очищенный неорганический материал высокой чистоты, состав и однородность которого строго контролируются химическими или физическими методами. Из такого материала формуют заготовки методом сухого прессования, шликерного литья или литья под давлением, а затем спекают, получая готовое изделие.

Благодаря высокой износостойкости, прочности и другим свойствам, тонкая керамика делится на электронную, конструкционную и биомедицинскую. Керамическая печатная плата (PCB) относится к электронным видам. В этой статье рассмотрим, что такое керамическая PCB, зачем она нужна и как производится.

Проблемы и решения в производстве

1. Размер заготовки: возможны отклонения 0,1–0,15 мм из-за различий при лазерной резке.

2. Пайка проводов: из-за микротрещин при лазерной обработке возможны дефекты при нагреве. Решение: предварительный прогрев подложки снижает риск повреждений.

3. Различия в термическом расширении: могут вызывать отслоение меди. Решение: подбор материала с близким коэффициентом расширения и оптимизация режима пайки.

Что такое керамическая PCB?

Керамическая PCB (керамическая печатная плата) — это особый тип печатной платы, где медные фольги соединяются с керамическими подложками из Al₂O₃ (оксида алюминия) или AlN (нитрида алюминия) при высоких температурах.

После ряда технологических этапов подложка приобретает хорошие электрические изоляционные свойства, высокую адгезию и способность проводить большие токи, что позволяет травить на ней различные схемные рисунки, как и на обычных платах.

Основные компоненты керамической PCB

1. Керамическая подложка. Основа платы — подложка из материалов, таких как оксид алюминия (Al₂O₃), нитрид алюминия (AlN) или оксид бериллия (BeO). Обеспечивает прочность, теплопроводность и изоляцию.


2. Проводящие слои. Создают электрические дорожки. Обычно из меди, наносимой методами распыления или гальванопокрытия.


3. Диэлектрический материал. Встроен в подложку и обеспечивает минимальные потери сигнала.


4. Переходные отверстия (виа). Соединяют различные слои платы с высокой точностью.


5. Соединительные материалы. Используются припои или проводящие клеи для монтажа компонентов.


6. Защитные покрытия. Повышают долговечность и защищают от влаги, химии и механических воздействий.

Виды керамических PCB

1. По типу материала подложки:

• Оксид алюминия (Al₂O₃): выдерживает 1550–1600 °C, применяется в гибридных интегральных схемах.


• Нитрид алюминия (AlN): дороже примерно в 15 раз, используется в мощных усилителях и лазерных диодах.


• Карбид кремния (SiC): спекается при >2000 °C, подходит для схем с высокой теплопроводностью.


• Оксид бериллия (BeO): обладает теплопроводностью, в 10 раз превышающей Al₂O₃, подходит для ВЧ-применений.

2. По технологии изготовления:

• Толстоплёночные платы: трафаретная печать и обжиг, ограниченная точность.


• Тонкоплёночные платы: распыление и фотолитография, высокая точность и стабильность.


• Многослойные (LTCC): совмещение керамических слоёв и обжиг при низкой температуре.

Основные материалы

• Оксид алюминия (Al₂O₃): оптимальный по сочетанию цены и характеристик.


• Оксид бериллия (BeO): высокая теплопроводность, но требует осторожности.


• Нитрид алюминия (AlN): отличная изоляция и низкая диэлектрическая постоянная.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая токовая нагрузка;


• Отличное теплоотведение;


• Низкий коэффициент теплового расширения;


• Стабильная форма без деформаций;


• Хорошая изоляция и высокая пробивная прочность.

Недостатки:

• Хрупкость (ограничивает размер);


• Высокая стоимость производства.

Сравнение керамической и FR4-платы

Почему стоит выбрать керамическую PCB?

1. Высокая теплопроводность — эффективно отводит тепло и повышает надёжность.


2. Отличная изоляция — устойчива к высоким напряжениям и помехам.


3. Прочность — подходит для тяжёлых условий эксплуатации.


4. Хорошие ВЧ-характеристики — минимальные потери сигнала.


5. Стабильность размеров — не коробится при изменении температуры.

Где применяются керамические PCB?

• Светодиоды высокой мощности;


• Авиационная и военная электроника;


• Высокочастотные блоки питания;


• Солнечные панели и модули большой мощности;


• Коммуникационные антенны.

Как изготавливается керамическая PCB?

Применяются технологии: тонкоплёночная, толстоплёночная и многослойная (LTCC/HTCC/DBC).

Основные этапы:

1. Сверление соединительных отверстий.


2. Металлизация (PHP-процесс) для соединения слоёв.


3. Ламинирование сухой плёнки.


4. Перенос рисунка внутреннего слоя.


5. Экспонирование внешнего слоя.


6. Магнетронное распыление.


7. Травление меди.


8. Нанесение паяльной маски и маркировки.

Итоги

Керамические печатные платы — оптимальный выбор для устройств, требующих высокой теплопроводности и отличной изоляции. Они широко применяются в связи, обороне, медицине и электронике, обеспечивая надёжность и стабильность работы в сложных условиях.

Теги: печатная плата