Технология PCB - керамический материал печатной платы

Из каких материалов изготавливаются керамические печатные платы?

Что касается подложек, то к керамическим печатным платам относятся алюминиевые подложки, AlN-подложки, BeO-подложки, si₃n₄-подложки, гибридные подложки и т.д. В зависимости от количества слоев печатной платы различают однослойные, двухслойные, многослойные и т.д. Здесь мы перечисляем только типы керамических печатных плат в зависимости от различных керамических подложек.

Подложка из глинозема

Преимущества: низкая цена, хорошая теплопроводность, высокая стойкость, высокая твердость, высокая электрическая изоляция, высокая коррозионная стойкость, высокая биосовместимость

Применение: белый свет, инфракрасное излучение, светодиодные лампы VCSEL

Глинозем (al2o₃) Печатная плата, или глиноземная печатная плата, является наиболее часто используемой керамической печатной платой на современном рынке из-за ее низкой цены и отличных эксплуатационных характеристик. Глинозем обладает хорошей теплопроводностью и стойкостью. Поэтому при использовании глиноземной печатной платы нет необходимости добавлять изолирующий слой.

Глиноземные печатные платы в основном используются для изготовления светодиодов мощностью от 3 до 5 Вт. Почему? Потому что теплопроводность у него не очень хорошая и он не может соответствовать требованиям, предъявляемым к устройствам большой мощности.

Оксид алюминия имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем полупроводники. Таким образом, вы не можете рассчитывать на использование печатных плат на основе алюминия для крупномасштабных интегральных схем.

Но, вообще говоря, если ваше устройство не требует очень высокой мощности, то достаточно использовать печатную плату на основе алюминия.

На рынке печатных плат с глиноземом представлены печатные платы с содержанием глинозема 75%, 96% и 99% - чем выше чистота, тем выше производительность, но тем выше стоимость. PCBONLINE использует 96% глинозема для производства печатных плат с глиноземом. Почему? Потому что это необходимо для обеспечения баланса между качеством и производственными затратами. Из приведенной ниже таблицы вы увидите, что между 96% и 99% глинозема нет большой разницы в эксплуатационных характеристиках.

Печатная плата из нитрида алюминия

Преимущества: более высокая теплопроводность и стойкость, высокая твердость, высокая механическая прочность, более высокая электрическая изоляция, высокая коррозионная стойкость, высокая биосовместимость, коэффициент теплового расширения близок к Si

Области применения: мощный светодиод, силовой модуль, лазерное поле

Теплопроводность печатных плат из нитрида алюминия или AlN в 7-10 раз выше, чем у печатных плат из оксида алюминия. Почему теплопроводность упоминается в первую очередь и упоминается много раз? Потому что это наиболее важный показатель для оценки керамических печатных плат.

Печатная плата из нитрида алюминия считается наиболее перспективной керамической печатной платой в будущем. С ее помощью можно немедленно отводить тепло от микросхем и других дорогостоящих компонентов. Поэтому необходимы мощные устройства, такие как светодиодные фонари для лодок, грузовиков, модули солнечных батарей, крупномасштабные интегральные схемы и т.д. используйте печатную плату AlN в качестве подложки. Тепло не накапливается в микросхеме, поэтому устройство может нормально работать в течение длительного времени при высоком токе.

Еще одной причиной, по которой печатная плата AlN пользуется популярностью в мощных светодиодах и силовых модулях, является ее коэффициент теплового расширения (4,6×10ˆ-6°C), аналогичный коэффициенту теплового расширения полупроводникового Si (3,5~4×10ˆ-6°C). Микросхемы этих мощных устройств изготовлены из кремния. Благодаря схожему коэффициенту теплового расширения микросхема не отвалится от подложки печатной платы AlN при термической деформации.

Печатная плата из нитрида кремния

Преимущества: высокая теплопроводность, высокая прочность, высокая трещиностойкость

Области применения: IGBT-модули, модули для транспортных средств, военные, аэрокосмические, авиационные модули

В отличие от хрупких традиционных керамических материалов, печатные платы из нитрида кремния или SI₃n₄PCB обладают хорошей механической прочностью и трещиностойкостью при высоких температурах. Кроме того, печатные платы из si₃n₄ обладают высокой теплопроводностью (более 80 Вт/мК). Кроме того, коэффициент теплового расширения печатных плат из нитрида кремния соответствует коэффициенту теплового расширения печатных плат из кремния.

Как вы знаете, IGBT-модули для автомобилей требуют более высокой теплопроводности, чем IGBT-модули промышленного производства. Автомобильные модули работают в условиях вибрации. В целях безопасности автомобильные материалы также должны обладать хорошей ударопрочностью.

Поэтому во всех автомобильных модулях используются печатные платы из нитрида кремния. По той же причине военные, аэрокосмические и авиационные модули также используют печатные платы si₃n.

Однако изготовление печатных плат из нитрида кремния не так просто. При нанесении печатного слоя на подложку из нитрида кремния связь между ними становится нестабильной. Другими словами, печатный слой может отвалиться от керамической подложки. К счастью, компания PCBONLINE имеет успешный опыт производства печатных плат из нитрида кремния для автомобильных IGBT-модулей.

Последний недостаток печатных плат из нитрида кремния заключается в том, что они имеют более низкое сопротивление и изоляцию, чем другие керамические печатные платы. Поэтому имейте это в виду, когда будете разрабатывать свой проект печатной платы из кремния.

Печатная плата из карбида кремния

Преимущества: Хорошая прочность даже при 1400 °C, чрезвычайно высокая теплопроводность и сопротивление, хорошая полупроводниковая проводимость, высокая твердость

Применение: Лазерное поле

Карбид кремния (SiC) похож на алмаз, только с другой пропорцией углерода. Таким образом, печатная плата из карбида кремния обладает чрезвычайно высокой термостойкостью. Печатные платы из SiC легко обрабатываются при температуре 1000°C. Именно поэтому их можно использовать в лазерном поле.

SiC обладает свойствами Si, то есть по своим свойствам близок к полупроводникам. Другими словами, в отличие от других керамических печатных плат, печатные платы SiC не обладают высокой изоляцией.

В настоящее время стоимость изготовления печатных плат из SiC чрезвычайно высока. Но в будущем, по мере развития технологий производства, мы можем ожидать увеличения числа применений печатных плат из карбида кремния.

Ниже приведена таблица теплопроводности различных керамических подложек для печатных плат.

В будущем керамические материалы для печатных плат столкнутся со следующими проблемами:

Технический уровень

Повышенные требования к производительности: По мере развития электронных устройств в направлении миниатюризации и повышения производительности керамические печатные платы должны обладать более высокой теплопроводностью, более подходящим коэффициентом теплового расширения, лучшими высокочастотными характеристиками и т.д. Например, в системах связи 5G, автомобильной электронике, аэрокосмической промышленности и других областях предъявляются чрезвычайно жесткие требования к стабильности и надежности керамических печатных плат в условиях высоких частот, температур и энергопотребления1.

Трудности при тонкой обработке: Для достижения большей интеграции и уменьшения размеров устройства требуется более тонкая обработка керамических печатных плат. Однако керамические материалы обладают высокой твердостью и хрупкостью, и их трудно обрабатывать. Существуют технические проблемы, связанные с получением высокоточной графики, обработкой микроотверстий и изготовлением структур с высоким соотношением сторон. Например, при изготовлении тонкопленочных керамических печатных плат предъявляются высокие требования к точности и согласованности проектирования схем, подложки и графики на пленке.

Комплексная оптимизация технологического процесса: Процесс изготовления керамических печатных плат является сложным, например, высокотемпературный совместный обжиг, прямое медное соединение, прямое гальваническое покрытие медью и т.д., которые требуют точного контроля множества технологических параметров, а также очень сложной связи между различными звеньями процесса. Отклонения в любом звене могут повлиять на качество продукции, поэтому необходимо постоянно оптимизировать технологический процесс, чтобы повысить его стабильность и повторяемость.

• Уровень затрат

Высокая стоимость материалов: Высокоэффективные керамические материалы, такие как нитрид алюминия и нитрид кремния, требуют больших затрат на подготовку. В то же время некоторые металлические материалы и мишени, используемые в процессе производства керамических печатных плат, также могут быть дорогостоящими из-за высоких требований к чистоте или ограниченных поставок, что увеличивает общую стоимость материалов6.

Огромные инвестиции в оборудование: Производство керамических печатных плат требует современного оборудования, такого как высокоточные принтеры, печи для спекания, оборудование для нанесения покрытий методом напыления, оборудование для фотолитографии и т.д. Это оборудование не только дорого обходится в приобретении, но и требует значительных затрат на техническое обслуживание и модернизацию, что является большим экономическим бременем для предприятий6.

Ограничения по эффективности производства: Сложные процессы и строгие требования к контролю качества приводят к длительному производственному циклу и относительно низкой эффективности производства керамических печатных плат. Это затрудняет снижение себестоимости производства единицы продукции и затрудняет конкуренцию на рынке с дешевыми традиционными материалами для печатных плат.

В то время, когда электронная промышленность находится на подъеме, керамические материалы для печатных плат стали ключевой опорой во многих областях благодаря своим уникальным преимуществам. Если у вас есть какие-либо потребности в керамических материалах для печатных плат, будь то разработка проекта, модернизация продукта или просто желание разобраться в рынке, вы можете связаться с нами в любое время. Мы предоставим вам точные расценки и выполним ваши пожелания с профессионализмом и энтузиазмом.

siasm.