2024 Многослойные керамические печатные пластинки: полное руководство по производству

В эпоху мощной и высокочастотной электроники — от базовых станций 5G до силовых агрегатов электромобилей (EV) и аэрокосмических радиолокационных систем — многослойные керамические печатные платы (MLC PCB) выделяются как критически важная технология. В отличие от традиционных печатных плат FR4, которые испытывают трудности с отводом тепла и целостностью сигнала при экстремальных температурах, MLC PCB используют керамические подложки (например, оксид алюминия, нитрид алюминия) для обеспечения превосходной теплопроводности, термостойкости и диэлектрических характеристик. Глобальный рынок MLC PCB отражает этот спрос: прогнозируется, что он будет расти со среднегодовым темпом роста 9,91% до 2031 года, что обусловлено внедрением в автомобильном, аэрокосмическом и телекоммуникационном секторах.

Это руководство содержит всесторонний обзор производства MLC PCB — от выбора материалов и поэтапного производства до контроля качества и реальных применений. С помощью сравнительных данных, полезных идей и передовых отраслевых практик оно позволяет инженерам, покупателям и проектировщикам понимать и использовать эту высокопроизводительную технологию.

Основные выводы
  a. Превосходство материалов определяет производительность: керамические подложки из оксида алюминия (20–30 Вт/мК) и нитрида алюминия (170–200 Вт/мК) превосходят FR4 (0,2–0,3 Вт/мК) по теплопроводности, что позволяет MLC PCB выдерживать температуру 350°C+ по сравнению с пределом FR4 в 130°C.
  b. Точность производства не подлежит обсуждению: MLC PCB требуют 7 критических этапов — подготовка подложки, укладка слоев, сверление отверстий, металлизация, спекание, финишная обработка и тестирование — каждый из которых требует жестких допусков (±5 мкм для выравнивания слоев).
  c. Контроль качества предотвращает дорогостоящие сбои: ранние проверки материалов (SEM-инспекция) и тестирование в процессе производства (AOI, электрическая непрерывность) снижают частоту дефектов до <0,1% для высоконадежных применений (например, аэрокосмическая промышленность).
  d. Области применения охватывают отрасли с высокими ставками: MLC PCB необходимы для автомобильных радаров (77 ГГц), мощных светодиодов (срок службы более 100 000 часов) и военной связи (устойчивость к суровым погодным условиям).
  e. Будущий рост зависит от инноваций: миниатюризация (более плотные слои) и экологичное производство (низкоэнергетическое спекание) расширят использование MLC PCB в IoT и EV.

Понимание многослойных керамических печатных плат (MLC PCB)
MLC PCB — это передовые печатные платы, изготовленные путем укладки и соединения нескольких керамических слоев, каждый из которых вытравлен проводящими схемами (например, медью, серебром). Их уникальная структура сочетает в себе тепловую эффективность керамики с плотностью многослойных конструкций — заполняя пробел, оставленный традиционными печатными платами в высокопроизводительной электронике.

Что делает MLC PCB уникальными?
В отличие от печатных плат FR4 (стекловолокно + эпоксидная смола) или однослойных керамических печатных плат, MLC PCB предлагают:
  a. Более высокую теплопроводность: отвод тепла в 100–600 раз быстрее, чем у FR4, предотвращая перегрев компонентов.
  b. Более широкий диапазон температур: надежная работа от -200°C (аэрокосмическая промышленность) до 350°C (промышленные печи).
  c. Меньшие диэлектрические потери: поддержание целостности сигнала на частотах до 100 ГГц (критично для 5G mmWave).
  d. Компактную плотность: укладка 4–20 керамических слоев с микропереходами (диаметр 50–100 мкм) для размещения большего количества схем в небольших пространствах.

Основные преимущества по отраслям
MLC PCB решают специфические для отрасли проблемы, которые не могут решить традиционные печатные платы. Ниже показано, как они обеспечивают ценность в ключевых секторах:

Выбор материалов для MLC PCB: оксид алюминия против нитрида алюминия
Производительность MLC PCB начинается с выбора материала подложки. На рынке доминируют две керамики: оксид алюминия (Al₂O₃) и нитрид алюминия (AlN). Каждый из них обладает уникальными свойствами, адаптированными к конкретным областям применения.

Сравнительный анализ материалов

Как выбрать подходящий керамический материал
  a. Выберите оксид алюминия, если: вам нужно экономичное решение для применений со средним нагревом (например, драйверы светодиодов, маломощные автомобильные датчики), где достаточно теплопроводности 20–30 Вт/мК.
  b. Выберите нитрид алюминия, если: вы проектируете для сценариев с высокой мощностью (например, силовые агрегаты EV, аэрокосмические радары), которые требуют максимального отвода тепла (170–200 Вт/мК) и термостойкости.
  c. Избегайте FR4, если: ваше применение превышает 130°C или требует целостности сигнала выше 10 ГГц.

Подготовка материала: от порошка до заготовки
Перед производством керамические материалы проходят тщательную подготовку для обеспечения однородности и качества:
  1. Обработка порошка: порошки оксида алюминия/AlN измельчают до мелкого размера частиц (1–5 мкм), чтобы обеспечить плотное спекание в дальнейшем. Примеси (например, железо, кремнезем) удаляются до <0,1%, чтобы избежать дефектов.
  2. Добавление связующего: порошки смешивают с органическими связующими (например, поливинилбутиралем) и растворителями для создания вязкой «суспензии» для ленточного литья.
  3. Ленточное литье: суспензию наносят на пленку-носитель (например, ПЭТ) с помощью ракеля, создавая тонкие, однородные керамические листы (толщиной 50–200 мкм). Листы высушивают для удаления растворителей.
  4. Штамповка/резка: высушенные листы разрезают до нужного размера печатной платы (например, 100x150 мм) и пробивают отверстиями для выравнивания для точной укладки.

Критический шаг: чистота порошка проверяется методом рентгенофлуоресцентного анализа (XRF), чтобы убедиться в отсутствии загрязняющих веществ — даже 0,5% железа может снизить теплопроводность на 10%.

Поэтапный процесс производства MLC PCB
Производство MLC PCB — это точная последовательность из 7 этапов, каждый из которых требует специализированного оборудования и строгого контроля процесса. Любое отклонение (например, смещенные слои, неполное спекание) может сделать плату бесполезной.

1. Подготовка подложки: создание однородных керамических листов
Основой MLC PCB являются высококачественные керамические листы. После ленточного литья (подробно описано выше) листы подвергаются:
  a. Контроль толщины: лазерный микрометр проверяет толщину листа (допуск ±2 мкм), чтобы обеспечить последовательную укладку слоев.
  b. Проверка плотности: случайные образцы обжигают для удаления связующих и взвешивают для проверки концентрации порошка — слишком много связующего приводит к усадке во время спекания.
  c. Очистка поверхности: листы протирают изопропиловым спиртом для удаления пыли, которая может вызвать воздушные зазоры на более поздних этапах.

2. Укладка слоев и ламинирование: склеивание керамических слоев
Укладка выравнивает керамические листы с проводящими рисунками для формирования многослойной структуры. Точность здесь имеет решающее значение — даже смещение на 10 мкм может привести к разрыву соединений.

Основные этапы укладки:
  a. Трафаретная печать: проводящая паста (медь, серебро или золото) наносится трафаретной печатью на керамические листы для создания трасс, площадок и площадок для переходов. Вязкость пасты контролируется (50 000–100 000 сП), чтобы обеспечить четкие, однородные линии.
  b. Выравнивание: листы укладываются с использованием систем оптического выравнивания (точность ±5 мкм), которые соответствуют отверстиям для выравнивания, пробитым ранее. Слои упорядочены для чередования между керамическими и проводящими рисунками.
  c. Ламинирование: собранная стопка прессуется в вакуумном ламинаторе при температуре 70–100°C и давлении 10–20 МПа. Вакуум удаляет воздушные зазоры, а тепло смягчает связующие вещества для склеивания слоев.

Критические факторы ламинирования:

3. Сверление отверстий и металлизация отверстий: соединение слоев
Переходы — это крошечные отверстия, которые соединяют схемы между слоями. Для MLC PCB распространены два метода:
  a. Лазерное сверление: УФ-лазеры (длина волны 355 нм) сверлят микропереходы (диаметр 50–100 мкм) с точностью ±5 мкм. Этот метод идеально подходит для конструкций высокой плотности (например, модули 5G).
  b. Штамповка: Механические штампы создают более крупные переходы (200–500 мкм) для недорогих применений (например, драйверы светодиодов). Штамповка быстрее, но менее точна, чем лазерное сверление.
После сверления:
  c. Удаление смазки: плазменная обработка удаляет остатки связующего вещества со стенок переходов, чтобы обеспечить адгезию металла.
  d. Металлизация: переходы заполняются проводящей пастой (серебро или медь) или покрываются гальванической медью (толщина 0,5–1 мкм) для создания электрических путей между слоями.

4. Металлизация и формирование рисунка схемы: создание проводящих путей
Проводящие слои добавляются для формирования функциональных схем. Используются два основных метода:
  a. Трафаретная печать: наиболее распространенный метод для MLC PCB — проводящая паста наносится трафаретной печатью на керамические листы для формирования трасс (ширина 50–100 мкм) и площадок. Пасту высушивают при температуре 120°C для удаления растворителей.
  b. Напыление: для высокочастотных применений (например, радар) тонкий слой меди (1–5 мкм) напыляется на керамические листы с использованием вакуумной системы. Напыление обеспечивает лучшую адгезию и целостность сигнала, чем трафаретная печать, но оно дороже.

Контроль качества: система автоматического оптического контроля (AOI) проверяет ширину трасс, выравнивание площадок и покрытие пастой — дефекты, такие как отсутствующие трассы, отмечаются перед спеканием.

5. Спекание: уплотнение керамической структуры
Спекание — это «решающий» этап, который преобразует сложенную, заполненную органикой сборку в плотную керамическую печатную плату. Процесс включает нагрев стопки до высоких температур для:
  a. Удаления органических связующих (фаза выгорания: 200–400°C).
  b. Сплавления керамических частиц в твердую, плотную структуру (фаза спекания: 1600–1800°C для оксида алюминия; 1700–1900°C для AlN).
  c. Склеивания проводящих слоев с керамической подложкой.

Основные результаты спекания:

Критический контроль: в печи для спекания используется запрограммированный температурный подъем (5°C/мин), чтобы избежать растрескивания — быстрый нагрев вызывает неравномерную усадку.

6. Финишная обработка поверхности: повышение надежности и паяемости
После спекания MLC PCB подвергается обработке поверхности для подготовки к сборке компонентов:
  a. Планаризация: верхняя/нижняя поверхности шлифуются абразивами с алмазным напылением для достижения плоскостности ±5 мкм — критично для размещения компонентов поверхностного монтажа (SMC).
  b. Покрытие поверхности: тонкий слой никеля (5–10 мкм) и золота (0,1–0,5 мкм) или ENIG (бесэлектролитное никелирование с иммерсионным золотом) наносится на площадки. Это улучшает паяемость и предотвращает окисление.
  c. Лазерная маркировка: волоконный лазер вытравливает номера деталей и коды партий на печатной плате для отслеживания.

Сравнение финишной обработки поверхности для MLC PCB:

7. Окончательная сборка и тестирование: проверка производительности
Последний шаг включает в себя установку компонентов и проверку функциональности печатной платы:
  1. Размещение компонентов: SMC (например, резисторы, конденсаторы, микросхемы) размещаются с использованием машин для установки компонентов (точность ±10 мкм).
  2. Пайка оплавлением: печатная плата нагревается в печи оплавления (пиковая температура: 260°C для бессвинцового припоя) для расплавления паяльной пасты и соединения компонентов.
  3. Промывка: водная очистка удаляет остатки флюса, которые могут вызвать коррозию.
  4. Функциональное тестирование: печатная плата проверяется на электрическую непрерывность, импеданс (±1 Ом для конструкций 50 Ом) и целостность сигнала (с использованием VNA для высокочастотных плат).
  5. Экологическое тестирование: для высоконадежных применений печатные платы подвергаются термическому циклированию (-40°C до +150°C, 1000 циклов) и вибрационным испытаниям (10–2000 Гц, ускорение 10G) для обеспечения долговечности.

Контроль качества: предотвращение дефектов в MLC PCB
MLC PCB используются в критически важных приложениях (например, EV BMS, аэрокосмический радар), поэтому контроль качества (QC) встроен в каждый этап производства. Ниже показано, как обнаруживаются и предотвращаются дефекты.

1. Контроль качества сырья: выявление проблем на ранней стадии
  a. Чистота порошка: анализ XRF гарантирует, что примеси составляют <0,1% — даже небольшое количество железа может снизить теплопроводность.
  b. Согласованность связующего: инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) проверяет состав связующего, чтобы предотвратить проблемы с усадкой при спекании.
  c. Однородность листа: лазерный профилометр проверяет толщину керамического листа (±2 мкм) и шероховатость поверхности (Ra <0,5 мкм), чтобы избежать зазоров при ламинировании.

2. Контроль качества в процессе производства: остановка дефектов в середине производства
  a. Выравнивание слоев: системы оптического выравнивания (точность ±5 мкм) проверяют уложенные слои — смещение >10 мкм вызывает переделку.
  b. Качество переходов: рентгеновский контроль (разрешение 20 мкм) проверяет заполнение переходов — пустоты >10% от объема переходов бракуются.
  c. Плотность спекания: принцип Архимеда измеряет плотность керамики — плотность <95% от теоретического значения указывает на неполное спекание.

3. Окончательный контроль качества: проверка сквозной производительности
  a. Электрическое тестирование: тестеры с летающими щупами проверяют наличие обрывов/коротких замыканий (100% охват) и стабильность импеданса (±1 Ом).
  b. Тепловое тестирование: анализатор мгновенной вспышки лазера измеряет теплопроводность — значения <90% от спецификации указывают на дефекты.
  c. Механическое тестирование: испытания на прочность при изгибе (в соответствии со стандартом ASTM C1161) гарантируют, что печатная плата выдержит обработку — прочность <300 МПа для оксида алюминия бракуется.
  d. Испытания на надежность: ускоренные испытания на срок службы (ALT) моделируют 10 лет использования (например, 1000 термических циклов) для прогнозирования долгосрочной производительности.

Точка данных: строгий контроль качества снижает частоту дефектов MLC PCB до <0,1% для аэрокосмических применений — критично для предотвращения дорогостоящих сбоев в полевых условиях.

Применение MLC PCB и будущие тенденции
MLC PCB незаменимы в отраслях, где производительность, надежность и термостойкость не подлежат обсуждению. Ниже приведены их основные варианты использования и новые тенденции.

Основные области применения по отраслям

Будущие тенденции, формирующие MLC PCB
 1. Миниатюризация и более высокая плотность: спрос на меньшие устройства IoT и модули 5G стимулирует MLC PCB с 20+ слоями и микропереходами <50 мкм — благодаря усовершенствованному лазерному сверлению и тонким керамическим листам (50 мкм).
 2. Экологичное производство: низкоэнергетическое спекание (с использованием микроволновых печей вместо традиционных печей) сокращает потребление энергии на 40%. Перерабатываемые связующие вещества (например, полимеры на растительной основе) уменьшают количество отходов.
 3. Новые керамические материалы: керамика из карбида кремния (SiC) и нитрида бора (BN) появляется — SiC обеспечивает теплопроводность 300 Вт/мК (лучше, чем AlN) для EV сверхвысокой мощности.
 4. Встроенные компоненты: пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы) встраиваются внутрь керамических слоев для экономии места — идеально подходит для носимых устройств и миниатюрных медицинских устройств.

FAQ: Часто задаваемые вопросы об MLC PCB
1. Почему MLC PCB дороже, чем FR4 PCB?
MLC PCB стоят в 5–10 раз дороже, чем FR4, из-за:
  a. Специализированных материалов (оксид алюминия/AlN стоят в 10 раз дороже, чем FR4).
  b. Точного производства (лазерное сверление, вакуумное спекание).
  c. Строгого контроля качества (рентгеновский контроль, тепловые испытания).
Однако их более длительный срок службы (в 10 раз больше, чем у FR4) и более низкие затраты на техническое обслуживание делают их экономически эффективными для высоконадежных применений.

2. Можно ли MLC PCB настроить для конкретных применений?
Да — варианты настройки включают:
  a. Выбор материала (оксид алюминия для стоимости, AlN для высокой температуры).
  b. Количество слоев (4–20 слоев).
  c. Размер перехода (50–500 мкм).
  d. Финишная обработка поверхности (ENIG для аэрокосмической промышленности, иммерсионное серебро для автомобилестроения).
  e. Встраивание компонентов (для миниатюризации).

3. Каков типичный срок изготовления MLC PCB?
Сроки изготовления зависят от сложности:
  a. Прототипы (1–10 единиц): 2–4 недели (включая спекание и тестирование).
  b. Небольшие партии (100–500 единиц): 4–6 недель.
  c. Большие партии (1000+ единиц): 6–8 недель.
Сроки изготовления больше, чем у FR4 (1–2 недели), из-за процесса спекания, который занимает 2–3 дня.

Заключение: MLC PCB — основа электроники следующего поколения
Многослойные керамические печатные платы — это не просто «высокопроизводительная» альтернатива традиционным печатным платам — они необходимы для самых требовательных электронных применений. Их уникальное сочетание теплопроводности, термостойкости и целостности сигнала обеспечивает инновации в EV, 5G, аэрокосмической промышленности и медицинских устройствах, которые когда-то были невозможны.

Процесс производства MLC PCB — от подготовки материалов и укладки слоев до спекания и контроля качества — требует точности, специализированного оборудования и ориентации на качество. Каждый этап, от проверки чистоты порошка до испытаний на термическое циклирование, предназначен для обеспечения надежности в критически важных для безопасности условиях.

По мере того, как электронная промышленность развивается в сторону более высокой мощности, более высокой частоты и меньших форм-факторов, MLC PCB будут играть еще большую роль. Новые тенденции, такие как миниатюризация, экологичное производство и новые керамические материалы, расширят их использование в IoT, носимых устройствах и EV сверхвысокой мощности.

Для инженеров и покупателей понимание производства MLC PCB является ключом к выбору правильной технологии для своих проектов. Отдавая приоритет выбору материалов, контролю процесса и контролю качества, вы можете использовать MLC PCB для создания электроники, которая будет безопаснее, надежнее и лучше соответствовать требованиям современного мира. Будущее высокопроизводительной электроники — за керамикой — и MLC PCB лидируют в этом направлении.