Проектирование керамической печатной платы — это не просто выбор «высокопроизводительного» материала, а преобразование потребностей приложения в практические детали: выбор подходящей керамики для вашего теплового бюджета, оптимизация трассировки трасс для снижения электромагнитных помех на 40 % или усовершенствование конструкции, чтобы выдержать 10 000 термических циклов. Слишком многие инженеры останавливаются на «выборе AlN» или «использовании LTCC» и упускают из виду нюансы, которые превращают «функциональную» конструкцию в «надежную и экономичную».
Это руководство 2025 года проведет вас через весь путь оптимизации керамических печатных плат — от выбора материала и компоновки (основной шаг) до практической реализации (детали, предотвращающие сбои). Мы разберем 7 важнейших стратегий оптимизации, используемых ведущими производителями, такими как LT CIRCUIT, для снижения частоты отказов на 80 % и снижения совокупной стоимости владения (TCO) на 30 %. Независимо от того, разрабатываете ли вы инверторы для электромобилей, медицинские имплантаты или модули 5G mmWave, эта дорожная карта поможет вам избежать распространенных ошибок и максимизировать производительность керамических печатных плат.
Ключевые выводы
1. Выбор решающий: игнорируйте компромиссы между теплопроводностью и стоимостью (например, AlN или Al₂O₃), и вы либо перерасходуете на 50 %, либо столкнетесь с 30 % отказов.
2.Тепловые детали обеспечивают надежность: шаг термического перехода 0,2 мм (по сравнению с 0,5 мм) снижает температуру в горячих точках на 25°C в инверторах электромобилей.
3. Оптимизация электромагнитных помех не является обязательной: для керамических печатных плат необходимы заземленные медные заливки + экранирующие банки, чтобы снизить перекрестные помехи на 60% в высокочастотных конструкциях.
4. Механические настройки предотвращают растрескивание: кромочные фаски (радиус 0,5 мм) + гибкие композиты снижают количество отказов, связанных с хрупкостью керамики, на 90% в приложениях, подверженных вибрации.
5. Сотрудничество производителей имеет решающее значение: предварительное совместное использование теплового моделирования позволяет избежать 20% ошибок при прототипировании (например, несовпадающих параметров спекания).
Введение: Почему оптимизация конструкции керамической печатной платы не удалась (и как это исправить)
Большинство конструкций керамических печатных плат терпят неудачу не из-за плохих материалов, а из-за «недостатков в деталях»:
a. Разработчик инвертора для электромобилей выбрал AlN (170 Вт/мК), но не использовал тепловые переходы — горячие точки достигали 180°C, что приводило к выходу из строя паяного соединения.
bКоманда медицинских имплантантов выбрала биосовместимый ZrO₂, но использовала острые изгибы — концентрации напряжений привели к растрескиванию 25% печатных плат во время имплантации.
Инженер CA 5G использовал LTCC для миллиметровых волн, но проигнорировал контроль импеданса — потеря сигнала составила 0,8 дБ/дюйм (против целевого значения 0,3 дБ/дюйм), что отрицательно сказалось на диапазоне покрытия.
Решение? Структурированный процесс оптимизации, который связывает выбор (материал, состав) с реализацией (термические переходы, трассировка, производственные допуски). Ниже мы разбиваем этот процесс на практические шаги, подкрепленные данными, таблицами и реальными исправлениями.
Глава 1: Оптимизация выбора керамической печатной платы – основа успеха
Выбор (выбор материалов и компоновки) — это первый и наиболее важный шаг оптимизации. Выберите неправильную керамику, и никакие изменения в деталях не спасут ваш дизайн.
1.1 Ключевые факторы выбора (не зацикливайтесь только на теплопроводности!)
| Фактор |
Почему это важно |
Вопросы, которые следует задать перед выбором |
| Теплопроводность |
Определяет тепловыделение (критично для мощных конструкций). |
«Нужна ли для моей конструкции мощность 170 Вт/мК (AlN) или 24 Вт/мК (Al₂O₃)?» |
| Рабочая температура |
Керамические печатные платы разлагаются при температуре выше максимальной температуры (например, ZrO₂ = 250°C). |
«Превысит ли температура печатной платы 200°C? (Если да, избегайте Al₂O₃.)» |
| Биосовместимость |
Имплантируемые конструкции требуют соответствия стандарту ISO 10993. |
«Это печатная плата для имплантации человеку? (Если да, то только ZrO₂.)» |
| Стабильность частоты |
Высокочастотные конструкции требуют стабильной диэлектрической проницаемости (Dk) (например, LTCC = 7,8 ± 2%). |
«Будут ли сигналы превышать 10 ГГц? (Если да, избегайте Al₂O₃.)» |
| Бюджет затрат |
AlN стоит в 2 раза дороже Al₂O₃; ZrO₂ стоит в 3 раза дороже AlN. |
«Могу ли я сэкономить 50 %, используя Al₂O₃, не жертвуя при этом производительностью?» |
| Механическая гибкость |
Керамика хрупкая, поэтому для гибких конструкций нужны композиты. |
«Будет ли печатная плата гнуться? (Если да, используйте композиты ZrO₂-PI.)» |
1.2 Руководство по выбору керамического материала (с соответствующими вариантами применения)
| Керамический материал |
Ключевые свойства |
Идеальные приложения |
Ошибки выбора, которых следует избегать |
| Нитрид алюминия (AlN) |
170–220 Вт/мК, диэлектрическая прочность 15 кВ/мм. |
Инверторы для электромобилей, усилители 5G, мощные IGBT |
Использование AlN для маломощных конструкций (перерасход на 100%). |
| Оксид алюминия (Al₂O₃) |
24–29 Вт/мК, 2–5 долларов США/кв.дюйм. расходы |
Промышленные датчики, светодиодное освещение, маломощные инверторы |
Использование Al₂O₃ для конструкций >100 Вт (риск перегрева). |
| Цирконий (ZrO₂) |
Соответствует ISO 10993, прочность на изгиб 1200–1500 МПа. |
Медицинские имплантаты, стоматологические устройства |
Использование ZrO₂ в конструкциях большой мощности (низкая теплопроводность). |
| LTCC (на основе Al₂O₃) |
Стабильная Dk=7,8, встроенные пассивы |
Модули 5G mmWave, микрочастотные трансиверы |
Использование LTCC для сред >800°C (разрушение выше 850°C). |
| HTCC (на основе Si₃N₄) |
Устойчивость к температуре 1200°C+, радиационная стойкость 100 крад |
Аэрокосмические датчики, ядерные мониторы |
Использование HTCC для экономичных конструкций (в 5 раз дороже, чем Al₂O₃). |
1.3 Оптимизация выбора стека слоев
Компоновка керамических печатных плат — это не просто «добавление слоев» — это балансировка теплового потока, целостности сигнала и стоимости. Ниже приведены оптимизированные стеки для ключевых приложений:
Примеры стеков для целевых случаев использования
| Приложение |
Стек слоев |
Обоснование |
| EV-инвертор (AlN DCB) |
Вверху: медь на 2 унции (провода питания) → подложка AlN (0,6 мм) → внизу: медь на 2 унции (плоскость заземления) |
Максимизирует тепловой поток от силовых дорожек к подложке; толстая медь выдерживает большой ток. |
| 5G ммволны (LTCC) |
Слой 1: РЧ-трассы (Cu) → Слой 2: Земля → Слой 3: Встроенный конденсатор → Слой 4: Земля → Слой 5: РЧ-трассы |
Заземляющие плоскости изолируют радиочастотные сигналы; встроенные пассивные устройства уменьшают размер на 40%. |
| Медицинский имплантат (ZrO₂) |
Вверху: 1 унция Au (биосовместимый) → Подложка ZrO₂ (0,3 мм) → Внизу: 1 унция Au (измельченный) |
Тонкая подложка уменьшает размер имплантата; золото обеспечивает биосовместимость. |
Совет по оптимизации стека:
Для мощных конструкций размещайте заземляющие пластины непосредственно под силовыми дорожками — это снижает тепловое сопротивление на 30 % по сравнению со смещенными плоскостями. В радиочастотных конструкциях размещайте слои сигнала между плоскостями земли (полосковая конфигурация), чтобы снизить электромагнитные помехи на 50%.
Глава 2. Оптимизация теплового проектирования: обеспечение охлаждения и надежности керамических печатных плат
Самым большим преимуществом керамических печатных плат является теплопроводность, но плохая тепловая конструкция теряет 50% этого преимущества. Ниже приведены детали, которые влияют или нарушают рассеивание тепла.
2.1 Расчет теплового сопротивления (знайте свои цифры!)
Термическое сопротивление (Rθ) определяет, насколько эффективно ваша керамическая печатная плата рассеивает тепло. Используйте эту формулу для керамических подложек:
Rθ (°C/Вт) = Толщина подложки (мм) / (Теплопроводность (Вт/мК) × Площадь (м²))
Пример: теплостойкость AlN и Al₂O₃.
| Керамический тип |
Толщина |
Область |
Теплопроводность |
Rθ (°C/Вт) |
Температура горячей точки (100 Вт) |
| АлН |
0,6 мм |
50мм×50мм |
180 Вт/мК |
0,13 |
13°C выше температуры окружающей среды |
| Al₂O₃ |
0,6 мм |
50мм×50мм |
25 Вт/мК |
0,96 |
96°C выше температуры окружающей среды |
Ключевой вывод: более низкое значение Rθ у AlN снижает температуру горячих точек на 83 %, что критически важно для инверторов электромобилей и усилителей 5G.
2.2 Тепловая оптимизация (деталь №1 для распространения тепла)
Тепловые переходы передают тепло от верхних дорожек к нижним заземляющим слоям, но их размер, шаг и количество имеют большее значение, чем вы думаете:
| Тепловой параметр через параметр |
Неоптимизированный (шаг 0,5 мм, диаметр 0,2 мм) |
Оптимизированный (шаг 0,2 мм, диаметр 0,3 мм) |
Влияние |
| Эффективность теплопередачи |
40% от максимума |
90% от максимума |
Температура горячей точки снижена на 25°C (модель 100 Вт) |
| Термическое сопротивление (Rθ) |
0,45 °С/Вт |
0,18 °С/Вт |
Снижение Rθ на 60 % |
| Производственное обоснование |
Легкое (механическое сверление) |
Требуется лазерное сверление |
Минимальное увеличение стоимости (+10%) |
Правила оптимизации тепловых переходов:
1. Шаг: 0,2–0,3 мм для зон с высокой мощностью (электрические инверторы); 0,5 мм для маломощных конструкций (датчиков).
2. Диаметр: 0,3 мм (лазерное сверление) для AlN/LTCC; избегайте диаметров <0,2 мм (опасность засорения во время нанесения покрытия).
3.Количество: разместите 1 термическое отверстие на каждые 10 мм² горячей зоны (например, 25 отверстий для IGBT размером 5×5 мм).
2.3 Интеграция материалов радиатора и интерфейса
Даже самая лучшая керамическая печатная плата нуждается в радиаторе для проектов мощностью более 100 Вт. Оптимизируем интерфейс для устранения тепловых разрывов:
| Материал интерфейса |
Термическое сопротивление (°C·дюйм/Вт) |
Лучшее для |
Совет по оптимизации |
| Термальная смазка |
0,005–0,01 |
Инверторы электромобилей, промышленные источники питания |
Нанесите слой толщиной 0,1 мм (без пузырьков воздуха). |
| Термопрокладка |
0,01–0,02 |
Медицинские имплантаты (без утечки смазки) |
Выберите толщину 0,3 мм (сжимается до 0,1 мм под давлением). |
| Материал с фазовым переходом |
0,008–0,015 |
Базовые станции 5G (широкий температурный диапазон) |
Активируйте при 60°C (соответствует типичной рабочей температуре). |
Практический пример: термическая оптимизация инвертора электромобилей
Печатные платы AlN DCB для инверторов на 800 В имели 12% отказов из-за горячих точек при температуре 180°C.
Реализованные оптимизации:
1.Добавлены тепловые переходы 0,3 мм (шаг 0,2 мм) под IGBT.
2.Использована термопаста (толщина 0,1мм) + алюминиевый радиатор.
3.Увеличена ширина медной дорожки с 2 мм до 3 мм (уменьшение потерь проводимости).
Результат: температура горячей точки упала до 85°C; процент отказов снизился до 1,2%.
Глава 3: Оптимизация конструкции EMI/EMC – поддержание чистоты сигналов
Керамические печатные платы обеспечивают лучшие характеристики электромагнитных помех, чем FR4, но они по-прежнему нуждаются в оптимизации, чтобы избежать перекрестных помех и помех, особенно в высокочастотных конструкциях.
3.1 Оптимизация заземления (основа контроля электромагнитных помех)
Сплошная земляная плоскость не подлежит обсуждению, но такие детали, как покрытие и сквозные отверстия, имеют решающее значение:
| Практика наземной плоскости |
Неоптимизированный (покрытие 50 %, без сшивания) |
Оптимизировано (покрытие 90%, сшивка переходных отверстий) |
Снижение электромагнитных помех |
| Зона покрытия |
50% поверхности печатной платы |
90% поверхности печатной платы |
На 30 % ниже излучаемые электромагнитные помехи |
| Сшивание переходных отверстий |
Никто |
Каждые 5 мм по краям |
Перекрестные помехи на 40 % ниже |
| Разделение наземной плоскости |
Разделение аналогового/цифрового сигнала |
Одна плоскость (одноточечное соединение) |
На 50 % ниже уровень шума контура заземления |
Практическое правило:
Для конструкций RF/5G покрытие заземления должно превышать 80 %, а также использовать сквозные отверстия (диаметром 0,3 мм) каждые 5 мм, чтобы создать «клетку Фарадея» вокруг чувствительных дорожек.
3.2 Трассировка маршрутизации для снижения электромагнитных помех
Плохая прокладка трасс подрывает естественные преимущества керамических печатных плат по электромагнитным помехам. Следуйте этим деталям:
| Практика трассировки маршрутизации |
Неоптимизированный (изгибы 90°, параллельные участки) |
Оптимизированный (повороты 45°, ортогональные участки) |
Влияние электромагнитных помех |
| Угол изгиба |
90° (острый) |
45° или изогнутый (радиус = 2× ширина трассы) |
На 25% меньше отражения сигнала |
| Расстояние между параллельными пробегами |
1 × ширина трассы |
3× ширина трассы |
Перекрестные помехи на 60 % ниже |
| Дифференциальное совпадение длины пары |
Несоответствие ±0,5 мм |
Несоответствие ±0,1 мм |
Фазовый сдвиг на 30 % ниже (5G mmWave) |
| Длина радиочастотной трассы |
100 мм (неэкранированный) |
<50 мм (экранированный) |
Потеря сигнала на 40 % ниже |
3.3 Оптимизация экранирования (для сред с высокими помехами)
Для 5G, аэрокосмической или промышленной конструкции добавьте экранирование, чтобы сократить электромагнитные помехи на 60 %:
| Метод экранирования |
Лучшее для |
Детали реализации |
Снижение электромагнитных помех |
| Медная заливка |
Радиочастотные следы, небольшие модули |
Трассировка объемного звучания с заземленной медью (зазор 0,5 мм) |
30–40% |
| Металлические защитные банки |
5G mmWave, усилители высокой мощности |
Припаять к заземляющей плоскости (без зазоров) |
50–60% |
| Ферритовые бусины |
Линии электропередачи, цифровые сигналы |
Разместите на входах питания (1000 Ом при 100 МГц) |
20–30% |
Пример: оптимизация электромагнитных помех 5G MmWave
Конструкция малой соты 5G с использованием LTCC имела потерю сигнала 0,8 дБ/дюйм из-за электромагнитных помех.
Примененные исправления:
1.Добавлена заземленная медь толщиной 0,5 мм вокруг радиочастотных дорожек.
2.Установил металлический экранирующий кожух (припаянный к заземлению) поверх чипа mmWave.
3. Согласованная длина дифференциальной пары с точностью до ±0,1 мм.
Результат: потери сигнала упали до 0,3 дБ/дюйм; Излучаемые электромагнитные помехи соответствуют стандартам CISPR 22 класса B.
Глава 4. Оптимизация механической конструкции и надежности – предотвращение растрескивания керамики
Керамика по своей природе хрупкая — не обращайте внимания на механическую оптимизацию, и ваша печатная плата треснет во время сборки или использования. Ниже приведены детали, повышающие долговечность.
4.1 Оптимизация краев и углов (снижение концентрации напряжений)
Острые края и углы повышают напряжение — оптимизируйте их, чтобы предотвратить растрескивание:
| Краевой/угловой дизайн |
Неоптимизированный (острые края, углы 90°) |
Оптимизированный (фаска 0,5 мм, закругленные углы) |
Влияние на растрескивание |
| изгибная прочность |
350 МПа (АлН) |
500 МПа (АлН) |
На 43% выше устойчивость к изгибу |
| Выживание на тепловом велосипеде |
500 циклов (от -40°C до 150°C) |
10 000 циклов |
Срок службы в 20 раз дольше |
| Выход сборки |
85% (трещины при обращении) |
99% |
Доходность выше на 14 % |
Совет по оптимизации:
Для всех керамических печатных плат добавьте фаску 0,5 мм к краям и радиус 1 мм к углам. Для электромобилей и аэрокосмической промышленности используйте фаску толщиной 1 мм (лучше справляется с вибрацией).
4.2 Оптимизация гибкого керамического композита (для гибких конструкций)
Чистая керамика не может гнуться — используйте композиты ZrO₂-PI или AlN-PI для носимых/имплантируемых изделий:
| Композитный тип |
Гибкость (циклы изгиба) |
Теплопроводность |
Лучшее для |
| ZrO₂-ПИ (0,1 мм) |
100 000+ (радиус 1 мм) |
2–3 Вт/мК |
Медицинские имплантаты, гибкие пластыри ЭКГ |
| АлН-ПИ (0,2 мм) |
50 000+ (радиус 2 мм) |
20–30 Вт/мК |
Складные модули 5G, изогнутые датчики |
Правило проектирования для композитов:
Поддерживайте радиус изгиба в ≥2 раза больше толщины композита (например, радиус 0,2 мм для ZrO₂-PI 0,1 мм), чтобы избежать растрескивания.
4.3 Оптимизация термического цикла (выживание при экстремальных температурах)
Керамические печатные платы расширяются/сжимаются иначе, чем медные — это создает напряжение во время термоциклирования. Оптимизируйте, чтобы предотвратить расслоение:
| Практика термического велосипедного спорта |
Неоптимизированный (линейное изменение 20°C/мин) |
Оптимизированный (линейное изменение 5°C/мин) |
Результат |
| Скорость изменения |
20°С/мин |
5°С/мин |
На 70 % ниже термическая нагрузка |
| Время выдержки при максимальной температуре |
5 минут |
15 минут |
На 50% меньше выделения влаги |
| Скорость охлаждения |
Неконтролируемый (15°C/мин) |
Контролируемый (5°C/мин) |
На 80 % ниже риск расслоения |
Практический пример: механическая оптимизация датчиков для аэрокосмической отрасли
Печатная плата Si₃N₄ HTCC для спутниковых датчиков треснула в 30% испытаний на термоциклирование (от -55°C до 120°C).
Примененные исправления:
1.Добавлены фаски по краям 1 мм.
2.Снижена скорость изменения температуры до 5°C/мин.
3. Используются вольфрам-молибденовые проводники (соответствуют коэффициенту теплового расширения Si₃N₄, КТР).
Результат: 0% растрескивания после 10 000 циклов.
Глава 5: Внедрение производства – превратите проект в реальность
Даже самая лучшая конструкция терпит неудачу, если ее невозможно изготовить. Сотрудничайте с производителем керамической печатной платы, чтобы оптимизировать следующие важные детали:
5.1 Контроль допуска (керамические печатные платы менее щадящие, чем FR4)
Производство керамики требует более жестких допусков — игнорируйте их, и ваша конструкция не подойдет и не будет работать:
| Параметр |
Допуск FR4 |
Допуск керамической печатной платы |
Почему это важно |
| Толщина слоя |
±10% |
±5% (AlN/LTCC) |
Обеспечивает, чтобы термическое сопротивление оставалось в пределах 10 % от заданного. |
| Ширина трассы |
±0,1 мм |
±0,05 мм (тонкопленочный) |
Поддерживает контроль импеданса (50 Ом ± 2%). |
| Через позицию |
±0,2 мм |
±0,05 мм (лазерное сверление) |
Предотвращает несовпадение сквозной трассировки (вызывает открытие). |
Кончик:
Поделитесь 3D-моделями со своим производителем для проверки допусков. Например, LT CIRCUIT использует сопоставление CAD, чтобы гарантировать точность выравнивания ±0,03 мм.
5.2 Прототипирование и проверка (тестирование перед массовым производством)
Пропуск прототипирования приводит к более чем 20% отказов в массовом производстве. Сосредоточьтесь на этих критических тестах:
| Тип теста |
Цель |
Критерий «пройден/не пройден» |
| Тепловизионное изображение |
Выявить горячие точки. |
Нет пятен >10°C выше моделируемого. |
| Рентгеновский контроль |
Проверьте заливку и выравнивание слоев. |
Отсутствие пустот >5% сквозного объема. |
| Термальный велоспорт |
Испытайте долговечность при перепадах температур. |
Отсутствие расслоения после 1000 циклов. |
| Тестирование электромагнитных помех |
Измерьте излучаемые выбросы. |
Соответствуйте CISPR 22 (потребительский сектор) или MIL-STD-461 (аэрокосмическая промышленность). |
5.3 Совместимость материалов (избегайте несовместимых процессов)
Керамические печатные платы требуют совместимых материалов — например, использование серебряной пасты на HTCC (спеченной при 1800°C) приведет к расплавлению пасты.
| Керамический тип |
Совместимые проводники |
Несовместимые проводники |
| АлН ДКБ |
Медь (соединение DCB), золото (тонкопленочное) |
Серебро (плавится при температуре соединения DCB). |
| LTCC |
Серебро-палладий (спекание 850°C) |
Вольфрам (требуется спекание при 1500°C). |
| HTCC (Si₃N₄) |
Вольфрам-молибден (спекание 1800°С) |
Медь (окисляется при температурах HTCC). |
| ZrO₂ |
Золото (биосовместимое) |
Медь (токсична для имплантатов). |
Глава 6. Практический пример – комплексная оптимизация конструкции керамической печатной платы (инвертор EV)
Давайте свяжем все это вместе с реальным примером оптимизации печатной платы AlN DCB для инвертора EV на 800 В:
6.1 Этап выбора
a. Задача: необходима теплопроводность более 170 Вт/мК, изоляция на 800 В и цена 3–6 долларов за кв. дюйм. бюджет.
b.Выбор: AlN DCB (180 Вт/мК, диэлектрическая прочность 15 кВ/мм) с толщиной подложки 0,6 мм.
c.Стек: верхняя часть (медные дорожки мощностью 2 унции) → подложка AlN → нижняя часть (заземляющая пластина меди 2 унции).
6.2 Термическая оптимизация
a.Добавлены тепловые отверстия диаметром 0,3 мм (шаг 0,2 мм) под IGBT размером 5×5 мм (25 отверстий на IGBT).
в.Встроенная термопаста (толщина 0,1 мм) + алюминиевый радиатор (100×100 мм).
6.3 Оптимизация электромагнитных помех<
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!
