Керамические печатные платы (PCB) являются основой экстремальной электроники — питают инверторы электромобилей, аэрокосмические датчики и медицинские имплантаты — благодаря их непревзойденной теплопроводности и устойчивости к высоким температурам. Но в то время как базовое производство керамических печатных плат (спекание + металлизация) хорошо задокументировано, детальная оптимизация, которая отделяет высокопроизводительные, высоконадежные платы от дефектных, остается тщательно охраняемым секретом.
От плазменно-активированной металлизации до настроенных ИИ параметров спекания, передовое производство керамических печатных плат зависит от совершенствования каждого этапа процесса для устранения дефектов (например, расслоение, отслаивание металлического слоя) и повышения производительности. Это руководство 2025 года подробно рассматривает передовые методы и тактики оптимизации, которые ведущие производители, такие как LT CIRCUIT, используют для производства керамических печатных плат с коэффициентом выхода годной продукции 99,8%, в 3 раза большим сроком службы и на 50% меньшим количеством отказов. Независимо от того, являетесь ли вы инженером, разрабатывающим платы для электромобилей на 800 В, или покупателем, закупающим печатные платы медицинского назначения, это ваш план освоения производства керамических печатных плат от начала до конца.
Основные выводы
1. Выбор процесса определяет производительность: печать толстым слоем идеально подходит для недорогих промышленных применений, в то время как распыление тонкой пленки обеспечивает точность 5 мкм для 5G mmWave — каждый процесс требует уникальной оптимизации.
2. Детальная оптимизация сокращает количество дефектов на 80%: плазменная активация керамических подложек увеличивает прочность соединения металл-керамика на 40%, в то время как контроль скорости спекания устраняет 90% проблем с растрескиванием.
3. DCB против LTCC/HTCC: прямое соединение меди (DCB) превосходит в мощных применениях для электромобилей, в то время как LTCC/HTCC лидирует в многослойной интеграции — приоритеты оптимизации меняются с каждой технологией.
4. Общие дефекты имеют простые исправления: расслоение (исправление: предварительная обработка плазмой), отслаивание металлического слоя (исправление: адгезионные слои Ti/Pt) и трещины спекания (исправление: скорость нарастания температуры <5°C/мин) можно избежать с помощью целевых настроек.
5. Оптимизация на основе ИИ — это будущее: инструменты машинного обучения теперь настраивают параметры спекания и металлизации в режиме реального времени, сокращая время разработки процесса на 60%.
Введение: почему базового производства керамических печатных плат недостаточно
Базовое производство керамических печатных плат следует линейному рабочему процессу — подготовка подложки → металлизация → спекание → финишная обработка — но этот универсальный подход не работает в экстремальных условиях. Например:
a. Модуль 5G mmWave, использующий неоптимизированное распыление тонкой пленки, может страдать от потерь сигнала 2 дБ из-за неровных металлических слоев.
b. Печатная плата инвертора электромобиля, изготовленная со стандартным соединением DCB, может расслоиться после 500 тепловых циклов (против 10 000 с оптимизированными параметрами).
c. Печатная плата медицинского имплантата с плохим контролем спекания может развивать микротрещины, которые приводят к попаданию жидкости и выходу устройства из строя.
Решение? Передовая оптимизация процесса, которая нацелена на уникальные болевые точки каждого этапа производства. Ниже мы разбиваем основные процессы производства керамических печатных плат, их передовые настройки и то, как эти изменения приводят к повышению выхода годной продукции, надежности и производительности.
Глава 1: Основные процессы производства керамических печатных плат — основа
Прежде чем углубляться в оптимизацию, крайне важно освоить пять основных процессов производства керамических печатных плат — каждый со своими сильными сторонами, ограничениями и рычагами оптимизации:
| Процесс |
Основные этапы |
Ключевые варианты использования |
Базовый выход годной продукции (неоптимизированный) |
| Печать толстым слоем |
Трафаретная печать проводящей пасты (Ag/Pt) → Сушка (120°C) → Спекание (850–950°C) |
Промышленные светодиоды, маломощные датчики |
85–90% |
| Распыление тонкой пленки |
Плазменная очистка подложки → Распыление адгезионного слоя (Ti/Pt) → Распыление Cu/Au → Лазерное травление |
5G mmWave, медицинские микродатчики |
80–85% |
| Прямое соединение меди (DCB) |
Медная фольга + керамическая подложка → Нагрев (1000°C) + Давление (20 МПа) → Охлаждение |
Инверторы электромобилей, мощные модули IGBT |
88–92% |
| LTCC (низкотемпературная керамика совместного обжига) |
Слой керамических зеленых листов → Пробивка переходных отверстий → Печать проводников → Сборка → Спекание (850–950°C) |
Многослойные радиочастотные модули, микроспутники |
82–88% |
| HTCC (высокотемпературная керамика совместного обжига) |
Слой керамических зеленых листов → Пробивка переходных отверстий → Печать проводников W/Mo → Сборка → Спекание (1500–1800°C) |
Аэрокосмические датчики, ядерные мониторы |
78–85% |
Основные примечания по основным процессам
1. Толстый слой: низкая стоимость, высокая производительность, но ограниченная точность (±50 мкм) — идеально подходит для массового производства некритических компонентов.
2. Тонкий слой: высокая точность (±5 мкм), низкие потери сигнала, но высокая стоимость — идеально подходит для высокочастотных и микроэлектронных применений.
3. DCB: отличная теплопроводность (200+ Вт/мК), высокая токопроводимость — золотой стандарт для электроники электромобилей и промышленной силовой электроники.
4. LTCC: многослойная интеграция (до 50 слоев), встроенные пассивные компоненты — критически важна для миниатюризированных радиочастотных и аэрокосмических устройств.
5. HTCC: устойчивость к экстремальным температурам (1200°C+), радиационная стойкость — используется в электронике суровых условий.
Каждый процесс имеет уникальные приоритеты оптимизации: толстый слой нуждается в настройке вязкости пасты, тонкий слой требует оптимизации плазменной очистки, а DCB зависит от контроля температуры/давления соединения.
Глава 2: Передовая оптимизация процесса — от хорошего к отличному
Разница между хорошей керамической печатной платой и отличной заключается в оптимизации каждой детали основных процессов. Ниже представлен подробный обзор наиболее эффективных настроек для каждой технологии:
2.1 Оптимизация печати толстым слоем
Печать толстым слоем — рабочая лошадка производства керамических печатных плат, но неоптимизированные параметры приводят к неравномерному нанесению пасты, плохому спеканию и высоким показателям дефектов. Вот как ее усовершенствовать:
Основные рычаги оптимизации
| Область оптимизации |
Неоптимизированная практика |
Передовая настройка |
Результат |
| Вязкость пасты |
Универсальный размер (10 000 сП) |
Адаптировать к сетке трафарета (8 000–12 000 сП) |
Равномерная толщина слоя (±5 мкм против ±20 мкм) |
| Давление ракеля |
Фиксированное (30 Н/см²) |
Переменное давление (25–35 Н/см²) по площади |
Отсутствие мостиков пасты между тонкими дорожками |
| Температура сушки |
Постоянная (120°C в течение 30 минут) |
Поэтапная сушка (80°C → 120°C → 150°C) |
Отсутствие растрескивания или пузырения пасты |
| Атмосфера спекания |
Воздух |
Азот (O₂ < 500 ppm) |
Снижение окисления серебра (на 30% меньше потерь) |
| Очистка после спекания |
Промывка водой |
Ультразвук + изопропиловый спирт |
Удаление остатков пасты на 99% |
Реальное влияние
Производитель промышленных светодиодных печатных плат оптимизировал свой процесс толстого слоя, отрегулировав вязкость пасты в соответствии со своим трафаретом 200 меш и перейдя на спекание в азоте. Выход годной продукции увеличился с 87% до 96%, а тепловое сопротивление светодиодов снизилось на 15% (с 5°C/Вт до 4,25°C/Вт) благодаря равномерным проводящим слоям.
2.2 Оптимизация распыления тонкой пленки
Распыление тонкой пленки обеспечивает точность, необходимую для высокочастотных и микроэлектронных применений, но даже небольшие отклонения в параметрах процесса вызывают потерю сигнала и проблемы с адгезией. Вот передовой план действий:
Основные рычаги оптимизации
| Область оптимизации |
Неоптимизированная практика |
Передовая настройка |
Результат |
| Предварительная обработка подложки |
Базовая протирка спиртом |
Плазменная активация (Ar/O₂, 5 мин) |
Прочность соединения увеличилась с 0,8 Н/мм до 1,2 Н/мм |
| Адгезионный слой |
Однослойный Ti (100 нм) |
Двухслойный Ti/Pt (50 нм Ti + 50 нм Pt) |
Скорость отслаивания металлического слоя снижается с 8% до <1% |
| Давление распыления |
Фиксированное (5 мТорр) |
Динамическое давление (3–7 мТорр) по металлу |
Равномерность пленки ±2% против ±8% |
| Плотность мощности мишени |
Постоянная (10 Вт/см²) |
Постепенное увеличение мощности (5→10→8 Вт/см²) |
Отсутствие отравления мишени (пленки Cu/Au) |
| Очистка после травления |
Только плазменное золение |
Плазменное золение + влажное травление (HCl:H₂O = 1:10) |
Отсутствие остатков травления (критично для радиочастотных путей) |
Влияние на радиочастотные характеристики
Производитель модулей 5G mmWave оптимизировал свой процесс тонкой пленки с помощью плазменной предварительной обработки и адгезионных слоев Ti/Pt. Потери сигнала на частоте 28 ГГц снизились с 0,5 дБ/мм до 0,3 дБ/мм, и модули прошли 10 000 тепловых циклов без расслоения металлического слоя — превосходя неоптимизированные платы (которые вышли из строя на 2000 циклах).
2.3 Оптимизация прямого соединения меди (DCB)
DCB — предпочтительный процесс для мощных керамических печатных плат (инверторы электромобилей, модули IGBT), но контроль температуры, давления и атмосферы соединения является решающим фактором. Вот как оптимизировать DCB для максимальной надежности:
Основные рычаги оптимизации
| Область оптимизации |
Неоптимизированная практика |
Передовая настройка |
Результат |
| Температура соединения |
Фиксированная (1065°C) |
Калибровка по подложке (1050–1080°C) |
Отсутствие растрескивания керамики (снижение на 30%) |
| Давление соединения |
Фиксированное (20 МПа) |
Переменное давление (15–25 МПа) по площади |
Равномерное соединение медь-керамика |
| Контроль атмосферы |
Чистый азот |
Азот + 5% водорода (восстанавливающий газ) |
Бескислородная медная поверхность (лучшая паяемость) |
| Скорость охлаждения |
Неконтролируемая (20°C/мин) |
Контролируемая (5°C/мин) |
Снижение теплового напряжения (на 40% ниже) |
| Поверхность медной фольги |
Как получено (шероховатость 0,5 мкм) |
Электрополированная (шероховатость 0,1 мкм) |
Улучшенная теплопроводность (на 5% выше) |
Результат применения в инверторе электромобиля
Ведущий производитель электромобилей оптимизировал свой процесс DCB для инверторов на 800 В, перейдя на азотно-водородную атмосферу и контролируемое охлаждение. Печатные платы выдержали 10 000 тепловых циклов (-40°C до 150°C) без расслоения, а эффективность инвертора увеличилась на 2% (с 97,5% до 99,5%) благодаря лучшему теплопереносу.
2.4 Оптимизация совместного обжига LTCC/HTCC
Совместный обжиг LTCC (низкотемпературный) и HTCC (высокотемпературный) обеспечивает многослойные керамические печатные платы со встроенными пассивными компонентами, но выравнивание слоев и усадка при спекании являются основными проблемами. Вот как оптимизировать:
Оптимизация LTCC
| Область оптимизации |
Неоптимизированная практика |
Передовая настройка |
Результат |
| Толщина зеленого листа |
Равномерная (100 мкм) |
Коническая (80–120 мкм) по слоям |
Уменьшение деформации (с 50 мкм до 10 мкм) |
| Пробивка переходных отверстий |
Ручное выравнивание |
Лазерная пробивка + визуальное выравнивание |
Выравнивание переходных отверстий по слоям ±5 мкм против ±20 мкм |
| Профиль спекания |
Линейный (10°C/мин) |
Поэтапное спекание (5→10→5°C/мин) |
Отсутствие расслоения слоев (снижение на 95%) |
| Проводящая паста |
Только серебро |
Серебро-палладий (90:10) |
Улучшенная адгезия (в 2 раза прочнее) |
Оптимизация HTCC
| Область оптимизации |
Неоптимизированная практика |
Передовая настройка |
Результат |
| Керамический порошок |
Как получено (размер частиц 5 мкм) |
Измельченный (размер частиц 1 мкм) |
Плотность спекания увеличилась с 92% до 98% |
| Материал проводника |
Только вольфрам |
Вольфрам-молибден (95:5) |
Лучшая проводимость (на 15% выше) |
| Атмосфера спекания |
Аргон |
Вакуум (10⁻⁴ Торр) |
Снижение окисления вольфрама |
| Механическая обработка после спекания |
Только шлифовка |
Шлифовка + притирка |
Плоскостность поверхности ±2 мкм против ±10 мкм |
Результат применения в спутниковом приемопередатчике
НАСА оптимизировало свой процесс HTCC для приемопередатчиков спутников дальнего космоса, используя измельченный керамический порошок и вакуумное спекание. 30-слойные печатные платы достигли выравнивания слоев ±5 мкм, а радиационная стойкость увеличилась на 20% (с 80 крад до 96 крад) — критически важно для выживания в космической радиации.
Глава 3: Общие дефекты производства керамических печатных плат и целевые исправления
Даже при использовании передовых процессов могут возникать дефекты, но почти все их можно избежать с помощью целевой оптимизации. Ниже приведены наиболее распространенные проблемы, их основные причины и проверенные исправления:
| Дефект |
Основная причина |
Передовое исправление |
Результат (снижение дефектов) |
| Расслоение (металл-керамика) |
Плохая очистка подложки, отсутствие адгезионного слоя |
Плазменная активация (Ar/O₂) + двухслойный слой Ti/Pt |
Снижение на 90% (с 10% до 1% дефектности) |
| Трещины спекания |
Быстрые скорости нагрева/охлаждения, неравномерное давление |
Скорость нарастания температуры <5°C/мин + равномерная прижимная пластина |
Снижение на 85% (с 12% до 1,8%) |
| Отслаивание металлического слоя |
Слабый адгезионный слой, окисление во время спекания |
Электрополированная медь + восстановительная атмосфера |
Снижение на 95% (с 8% до 0,4%) |
| Неравномерные проводящие слои |
Несоответствие вязкости пасты, изменение давления ракеля |
Переменная вязкость + отображение давления |
Снижение на 75% (с 15% до 3,75%) |
| Несоосность переходных отверстий (LTCC/HTCC) |
Ручная пробивка, плохая регистрация слоев |
Лазерная пробивка + визуальное выравнивание |
Снижение на 80% (с 20% до 4%) |
| Микротрещины в подложке |
Тепловое напряжение во время охлаждения, хрупкая керамика |
Контролируемое охлаждение + снятие фаски с краев |
Снижение на 70% (с 7% до 2,1%) |
Пример: устранение расслоения в медицинских керамических печатных платах
Производитель медицинских устройств столкнулся с расслоением 12% в своих керамических печатных платах ZrO₂ (используемых во вживляемых датчиках). Основная причина: базовая очистка спиртом оставляла органические остатки на керамической поверхности, ослабляя связь металл-керамика.
Исправление оптимизации:
1. Замените очистку спиртом плазменной активацией (газ Ar/O₂, 5 минут при 100 Вт).
2. Добавьте адгезионный слой Ti толщиной 50 нм перед распылением Au.
Результат: скорость расслоения снизилась до 0,8%, и печатные платы прошли 5 лет клинических испытаний без сбоев.
Глава 4: Сравнение процессов — какой передовой процесс подходит именно вам?
Выбор правильного передового процесса зависит от требований вашего приложения к производительности, стоимости и объему. Ниже приведено подробное сравнение оптимизированных процессов:
| Фактор |
Толстый слой (оптимизированный) |
Тонкий слой (оптимизированный) |
DCB (оптимизированный) |
LTCC (оптимизированный) |
HTCC (оптимизированный) |
| Точность (линия/пробел) |
±20 мкм |
±5 мкм |
±10 мкм |
±15 мкм |
±10 мкм |
| Теплопроводность |
24–30 Вт/мК (Al₂O₃) |
170–220 Вт/мК (AlN) |
180–220 Вт/мК (AlN) |
20–30 Вт/мК (Al₂O₃) |
80–100 Вт/мК (Si₃N₄) |
| Стоимость (за кв. дюйм) |
$1–$3 |
$5–$10 |
$3–$6 |
$4–$8 |
$8–$15 |
| Пригодность для объема |
Высокая (10 тыс. + единиц) |
Низкий-Средний (<5 тыс. единиц) |
Высокая (10 тыс. + единиц) |
Средний (5 тыс.–10 тыс. единиц) |
Низкий (<5 тыс. единиц) |
| Ключевое применение |
Промышленные светодиоды, датчики |
5G mmWave, медицинские микродатчики |
Инверторы электромобилей, модули IGBT |
Многослойные радиочастотные модули, микроспутники |
Аэрокосмические датчики, ядерные мониторы |
| Оптимизированный выход годной продукции |
96–98% |
92–95% |
97–99% |
93–96% |
90–93% |
Рамки принятия решений
1. Высокая мощность + большой объем: DCB (инверторы электромобилей, промышленные источники питания).
2. Высокая частота + точность: тонкая пленка (5G mmWave, медицинские микродатчики).
3. Многослойная интеграция + миниатюризация: LTCC (радиочастотные модули, микроспутники).
4. Экстремальная температура + радиация: HTCC (аэрокосмическая, ядерная).
5. Низкая стоимость + большой объем: толстый слой (промышленные светодиоды, базовые датчики).
Глава 5: Будущие тенденции — следующий рубеж в производстве керамических печатных плат
Передовая оптимизация быстро развивается, подпитываемая ИИ, аддитивным производством и экологичными технологиями. Вот тенденции, формирующие будущее:
5.1 Оптимизация процесса на основе ИИ
Инструменты машинного обучения (ML) теперь анализируют данные в реальном времени с печей спекания, систем распыления и принтеров для настройки параметров на лету. Например:
a. LT CIRCUIT использует алгоритм ML для регулировки температуры и давления спекания в зависимости от свойств керамической партии, сокращая время разработки процесса с 6 месяцев до 2 месяцев.
b. Системы машинного зрения ИИ проверяют слои тонкой пленки на наличие дефектов с точностью 99,9%, выявляя проблемы, которые пропускают инспекторы-люди.
5.2 Керамические печатные платы, напечатанные на 3D-принтере
Аддитивное производство (3D-печать) революционизирует производство керамических печатных плат:
a. Струйная печать связующим веществом: печатает сложные керамические подложки со встроенными переходными отверстиями, сокращая отходы материала на 40%.
b. Прямое нанесение чернил: печатает проводники толстой пленки непосредственно на керамике, напечатанной на 3D-принтере, исключая этапы трафаретной печати.
5.3 Оптимизация экологичного производства
Устойчивость становится ключевым фактором:
a. Микроволновая спекание: заменяет традиционные электрические печи, снижая потребление энергии на 30%.
b. Переработанный керамический порошок: повторно использует 70% керамических отходов, сокращая выбросы углерода на 25%.
c. Проводящие пасты на водной основе: заменяет пасты на основе растворителей, исключая летучие органические соединения (ЛОС).
5.4 Гибридная интеграция процессов
Сочетание нескольких передовых процессов обеспечивает непревзойденную производительность:
a. Тонкая пленка + DCB: радиочастотные трассы тонкой пленки на подложках DCB для базовых станций 5G с высокой мощностью.
b. LTCC + 3D-печать: зеленые листы LTCC, напечатанные на 3D-принтере, со встроенными антеннами для спутниковых приемопередатчиков.
Глава 6: Часто задаваемые вопросы — ответы на ваши вопросы о передовом производстве керамических печатных плат
В1: Сколько стоит передовая оптимизация процесса, и стоит ли она того?
О1: Оптимизация обычно добавляет 10–20% к первоначальным затратам на разработку процесса, но снижает долгосрочные затраты на 30–50% за счет более высокого выхода годной продукции и более низкого количества отказов. Для критических применений (электромобили, медицина) рентабельность инвестиций составляет 3x в течение 2 лет.
В2: Можно ли масштабировать распыление тонкой пленки для крупносерийного производства?
О2: Да — с помощью встроенных систем распыления и автоматизации тонкая пленка может обрабатывать более 10 тыс. единиц в месяц. Ключом является оптимизация обработки подложек (например, роботизированная загрузка) для сокращения времени цикла.
В3: В чем разница между оптимизацией для выхода годной продукции и производительности?
О3: Оптимизация выхода годной продукции направлена на снижение дефектов (например, расслоение, растрескивание), в то время как оптимизация производительности нацелена на теплопроводность (например, полировка меди DCB) или потерю сигнала (например, однородность тонкой пленки). Для большинства применений важны оба параметра.
В4: Как мне убедиться, что мой процесс оптимизирован?
О4: Ключевые показатели включают:
a. Выход годной продукции (более 95% для оптимизированных процессов).
b. Прочность соединения (более 1,0 Н/мм для металл-керамики).
c. Теплопроводность (соответствует или превышает спецификации материала).
d. Выживаемость при тепловом цикле (более 10 000 циклов для электромобилей/промышленных устройств).
В5: Какой передовой процесс лучше всего подходит для приложений 6G mmWave?
О5: Распыление тонкой пленки на подложках AlN — оптимизированное с помощью плазменной предварительной обработки и адгезионных слоев Ti/Pt — обеспечивает низкие потери сигнала (<0,2 дБ/мм при 100 ГГц) и точность, необходимые для 6G.
Заключение: передовая оптимизация — ключ к совершенству керамических печатных плат
Керамические печатные платы больше не просто «специальные» компоненты — они необходимы для следующего поколения электроники. Но чтобы раскрыть весь их потенциал, вам нужно больше, чем базовое производство — вам нужна передовая оптимизация процесса, которая нацелена на каждую деталь, от очистки подложки до скорости охлаждения при спекании.
Выводы ясны:
a. Выберите правильный процесс для вашего приложения (DCB для питания, тонкая пленка для точности, LTCC для интеграции).
b. Устраните распространенные дефекты с помощью целевых настроек (плазма для расслоения, контролируемое охлаждение для трещин).
c. Используйте будущие тенденции (ИИ, 3D-печать), чтобы оставаться впереди кривой.
Для производителей и разработчиков партнерство с поставщиком, таким как LT CIRCUIT, который специализируется на передовом производстве и оптимизации керамических печатных плат, имеет решающее значение. Их опы
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!
