Производство многослойных керамических печатных пластин: всестороннее руководство по материалам, процессам и применению

Многослойные керамические печатные платы (ПКБ) стали критической технологией для высокотемпературной, высокочастотной и высоконадежной электроники.которые опираются на органические субстратыКерамические ПХБ используют неорганические материалы, такие как алюминий (Al2O3) или нитрид алюминия (AlN), чтобы обеспечить превосходную теплопроводность, химическую устойчивость и механическую стабильность.Эти свойства делают их незаменимыми для применения в различных областях, от аэрокосмических датчиков до силовой электроники., где производительность в экстремальных условиях не подлежит обсуждению.

В этом руководстве представлен подробный обзор производства многослойных керамических ПКБ, включающий выбор материала, этапы изготовления, основные преимущества и промышленное применение.Независимо от того, являетесь ли вы инженером, проектирующим для суровых условий, или производителем, масштабирующим производство, понимание нюансов производства керамических ПКБ имеет важное значение для раскрытия их полного потенциала.

Почему многослойные керамические ПХБ?
Керамические ПХБ решают критические ограничения ПХБ на органической основе, особенно в сложных сценариях:
1.Термоуправление: керамические подложки проводят тепло в 10×100 раз лучше, чем FR-4 (например, AlN имеет 180×220 W/m·K против FR-4 ≈ 0,2×0,4 W/m·K),предотвращение перегрева в устройствах высокой мощности, таких как светодиодные модули и усилители мощности.
2Стабильность при высоких температурах: керамические материалы сохраняют механические и электрические свойства при температурах до 1000°C, в отличие от FR-4, который разлагается выше 130°C.
3Высокочастотная производительность: низкая диэлектрическая потеря (Df < 0,001 при 10 ГГц для Al2O3) делает их идеальными для связи 5G, радаров и спутников.
4.Химическая устойчивость: керамика инертна к растворителям, маслам и коррозионным газам, что имеет решающее значение для промышленного и автомобильного применения под капотом.

Для многослойных конструкций эти преимущества соединяются: наложение керамических слоев позволяет создавать плотные, высокопроизводительные схемы без ущерба для тепловой или механической целостности.

Ключевые материалы для многослойных керамических ПХБ
Выбор керамической подложки напрямую влияет на производительность, стоимость и сложность производства.

а.Алюминий является рабочей лошадью, балансирующей стоимость и производительность для большинства промышленных применений.
b.AlN превосходит в теплоемких конструкциях (например, модулях IGBT), но требует специализированной обработки.
c. цирконий предназначен для экстремальных условий, где механическая прочность (например, устойчивость к вибрациям) имеет приоритет перед теплопроводностью.

Процесс производства многослойных керамических ПКБ
Производство многослойных керамических печатных пластин включает в себя точные этапы, которые значительно отличаются от производства органических печатных пластин из-за хрупкости и высокой температуры керамических материалов.
1. Подготовка субстрата
a.Смельчение керамического порошка: сырой керамический порошок (например, Al2O3) смешивается с связующими веществами (поливинилбутирал), растворителями и пластификаторами для образования суспензии.Фрезирование уменьшает размер частиц до 1 ‰ 5 мкм для равномерной плотности.
b.Сливка ленты: отстой распространяется на переносную пленку (PET) с помощью врачебного лезвия, образуя тонкие зеленые листы толщиной 0,1 ∼ 0,5 мм. Эти листы сушат для удаления растворителей, создавая гибкие,управляемая “зеленая лента”.??

2. Образцы слоев
a.Лазерное бурение: для соединения слоев в зеленую ленту просверливаются микровии (50-200 мкм в диаметре).Лазерное бурение обеспечивает точность без трещины хрупкого материала. Механическое бурение слишком неточно для тонкой керамики.
b. Металлизация: проводящие пасты (обычно вольфрам, молибден или медь) напечатаны на зеленой ленте для образования следов, подкладки и через наполнение.Вольфрам и молибден совместимы с высокотемпературным спеканием; медь требует процессов более низкой температуры (например, совместное сжигание при 900 °C).

3. Складывание слоев и ламинирование
a.Сравнение: зеленые листы выравниваются с использованием фидуциальных знаков для обеспечения регистрации через и отслеживания через слои (толерантность ±5 мкм).
b.Ламинирование: слои склеивания сжимаются при температуре 50-100°С и 10-30 МПа, чтобы соединить их в один блок, устраняя воздушные пробелы, которые могут вызвать дефекты во время синтерации.

4. Синтерирование
a.Выгорание связующего: сложенный ламинат нагревается до 300-600 °C в воздухе или азоте для удаления органических связующих веществ, предотвращая появление газовых пузырей во время синтерации.
b.Синтерирование: ламинат обжигается при высоких температурах (1500-1700°C для Al2O3; 1600-1800°C для AlN) для уплотнения керамических и предохранительных слоев.материал сокращается на 15~20% ‒ критическое соображение для точности конструкции..
c. Охлаждение: контролируемое охлаждение (≤ 5°C/мин) минимизирует тепловое напряжение и трещины, особенно для больших или толстых ПХБ.

5Послеоборот
a.Поверхностная металлизация: Сцинтированная керамика металлизируется медью, золотом или никель-золотом (ENIG) для улучшения сварной способности..
b.Обшивка: Сцинтерированная панель разрезается на отдельные печатные пластинки с помощью алмазных пил или лазеров, избегая механического напряжения, которое может потрескать керамику.
c. Испытания: электрические испытания (продолжительность, изоляционное сопротивление) и термические испытания (инфракрасные изображения) проверяют производительность.

Проблемы в производстве многослойных керамических ПКБ
Несмотря на свои преимущества, керамические ПХБ имеют уникальные препятствия при изготовлении:
a.Управление сжатием: сжатие сцинтерирования с 15 до 20% требует точного масштабирования конструкции перед сжижением (например, для 100 мм конечного ПК требуется 120 мм зеленого листа).
b.Стоимость: сырье (особенно AlN) и высокотемпературная обработка делают керамические ПХБ в 5−10 раз дороже FR-4.
c.Крахотность: керамика подвержена трещинам во время обработки, что требует специального инструментария и нежной обработки.
d. Сложность конструкции: следы тонкого звука (< 50 мкм) трудно напечатать на зеленой ленте, что ограничивает плотность по сравнению с органическими ПХБ с высоким содержанием.

Преимущества многослойных керамических ПХБ
Проблемы компенсируются преимуществами производительности, которые делают керамические ПХБ незаменимыми в ключевых приложениях:
1.Высокое тепловое управление: ПХБ на основе AlN снижают температуру соединения светодиодов на 30-40 °C по сравнению с FR-4, увеличивая срок службы от 50 000 до 100 000+ часов.
2.Надежность при высоких температурах: поддерживает функциональность в автомобильных двигателях (150°C+) и промышленных печах (500°C+).
3Низкая потеря сигнала: диэлектрическая потеря <0,001 при 10 ГГц позволяет использовать 5G мм-волновые (2860 ГГц) и радиолокационные системы с минимальной деградацией сигнала.
4Устойчивость к химическим веществам и влаге: выдерживает воздействие масел, топлива и влаги в морской или промышленной среде.
5.Стабильность измерений: Коэффициент теплового расширения (CTE), близкий к кремнию (4 ‰ 6 ppm / ° C), уменьшает напряжение на сварные соединения в полупроводниковых комплектациях.

Приложения многослойных керамических ПХБ
Керамические ПХБ превосходят органические ПХБ:
a.Аэрокосмическая и оборонная промышленность: системы наведения ракет, радиолокационные модули и датчики двигателей (выдерживают экстремальные температуры и вибрации).
b. Электроэлектроника питания: модули IGBT, инверторы и двигатели (эффективное рассеивание тепла для систем мощностью более 100 кВт).
c.Светодиодные светильники: высокопроизводительные светодиодные батареи (уличные фонари, промышленное освещение), при которых тепловое управление предотвращает обесценение люмена.
d.Автомобильные: датчики ADAS, энергомодули электромобилей (EV) и мониторы выхлопной системы (противостоят теплу и химическим веществам под капотом).
e.Телекоммуникации: усилители базовых станций 5G и спутниковые приемопередатчики (низкие диэлектрические потери для высокочастотных сигналов).

Сравнение многослойных керамических ПХБ с альтернативами

Будущие тенденции в производстве многослойных керамических печатных плат
Инновации преодолевают барьеры стоимости и сложности:
a. Низкотемпературное сосжигание (LTCC): Синтерирование при температуре 800-900 °C позволяет металлизировать медь, снижая затраты и улучшая проводимость.
b.Адитивное изготовление: 3D-печать керамических слоев позволяет создавать сложные геометрические структуры (например, внутренние каналы охлаждения), которые невозможны при литье ленты.
c.Гибридные конструкции: объединение керамических и FR-4 слоев обеспечивает баланс между производительностью и стоимостью в системах смешанного сигнала.

Частые вопросы
Вопрос: Каково максимальное количество слоев для многослойных керамических ПКБ?
Ответ: Обычно 4-10 слоев, ограниченных проблемами с выравниванием во время складирования.

Вопрос: Могут ли керамические ПХБ использовать поверхностные компоненты?
Ответ: Да, но пастера должна быть предназначена для высокотемпературных компонентов (например, пастера SAC305, которая плавится при 217 °C, работает с керамическими ПКБ).

Вопрос: Как керамические ПХБ справляются с вибрациями?
A: Несмотря на то, что керамика хрупкая, ее высокая механическая прочность (Al2O3 обладает прочностью на изгиб 300-400 МПа) позволяет использовать ее в среде, подверженной вибрациям, при правильном монтаже с амортизирующими устройствами.

Вопрос: Соответствуют ли керамические ПХБ требованиям RoHS?
Ответ: Да, керамические субстраты и материалы металлизации (вольфрам, медь, никель) соответствуют требованиям RoHS и не содержат опасных веществ.

Вопрос: Каково время производства многослойных керамических ПКБ?
Ответ: 4-6 недель для прототипов; 8-12 недель для большого объема производства, из-за шагов сфинтерации и послепроцессирования.

Заключение
Многослойные керамические печатные платы - это специализированная, но необходимая технология для электроники, работающей в экстремальных условиях.и химическая устойчивость делают их незаменимыми в аэрокосмической промышленности, энергетической электроники и приложений 5G, несмотря на более высокие издержки производства.
По мере развития материалов и процессов (например, LTCC, 3D-печать), керамические печатные платы станут более доступными, расширяя их использование за пределы нишевых рынков.Понимание их уникальных производственных требований является ключом к использованию их полного потенциала в электронике следующего поколения.