Výrobce a výroba keramických desek plošných spojů na zakázku

Keramické desky plošných spojů (PCB) používají anorganické keramické substráty – oxid hlinitý, nitrid hliníku a nitrid křemíku – namísto organického epoxidového skelného vlákna, který se nachází ve standardních deskách FR4. Keramický substrát se přímo váže na měděné obvody bez samostatné dielektrické izolační vrstvy, čímž vytváří tepelnou cestu od součástky k chladiči, která je 50–500× účinnější než FR4. Tato strukturální výhoda je důvodem, proč jsou keramické desky plošných spojů určeny pro napájecí moduly, vysoce jasné LED diody, RF předřadníky, submounty laserových diod a jakékoli aplikace, kde tepelný tok, provozní teplota nebo životnost tepelných cyklů překračují limity organických laminátů.

Společnost Highleap Electronics vyrábí keramické desky plošných spojů (PCB) na substrátech z oxidu hlinitého (Al₂O₃), nitridu hliníku (AlN) a nitridu křemíku (Si₃N₄) s využitím procesů DBC, DPC, silnovrstvé a tenkovrstvé výroby, LTCC a HTCC . Také montujeme součástky na keramické substráty – SMT, spojování vodičů, osazování čipů a elektrické testování – pod jednou střechou.

Získejte cenovou nabídku na keramické desky plošných spojů →

Čtyři keramické substrátové materiály a kam se každý hodí

Každá keramická deska plošných spojů začíná substrátem. Zvolený materiál určuje tepelnou vodivost, mechanickou pevnost, součinitel tepelné roztažnosti (CTE) s polovodičovým čipem a cenu hotové desky. Společnost Highleap skladuje a zpracovává všechny čtyři keramické substráty produkční kvality.

Oxid hlinitý – pracant ve výrobě

Keramické desky plošných spojů z oxidu hlinitého tvoří většinu celosvětové produkce keramických desek plošných spojů. Oxid hlinitý, který je k dispozici v čistotě 96 % a 99.6 %, poskytuje praktickou tepelnou vodivost (50–100× lepší než FR4), vynikající elektrickou izolaci a cenovou hladinu, která jej činí vhodným pro středně velké výrobní série. Pro většinu aplikací v oblasti LED, senzorů a výkonové elektroniky používáme 96% oxid hlinitý a pro aplikace s nižší drsností povrchu nebo dielektrickými tolerancemi – obvykle pro tenkovrstvé VF obvody – 99.6% oxid hlinitý.

Nitrid hliníku – lídr v oblasti tepelných vlastností

AlN nabízí 7× větší tepelnou vodivost než oxid hlinitý a nejbližší součinitel tepelné roztažnosti (CTE) jako křemík mezi keramickými substráty (4.5 oproti 3.0 ppm/°C). Tato shoda CTE je důvodem, proč se AlN specifikuje všude tam, kde jsou polovodičové čipy přímo spojeny se substrátem – výkonové moduly, pouzdra laserových diod a 5G RF moduly. Nevýhodou jsou náklady a náročnější požadavky na metalizaci. Naše technická podpora v oblasti tepelného managementu pomáhá určit, zda váš návrh skutečně vyžaduje AlN, nebo zda by oxid hlinitý s lepším designem tepelného rozhraní dosáhl stejné cílové teploty spoje za nižší cenu.

Nitrid křemíku – nejodolnější keramika pro extrémní cyklistiku

Si₃N₄ poskytuje 2–3krát větší lomovou houževnatost než oxid hlinitý nebo AlN, což mu umožňuje přežít teplotní cykly (–55 až +250 °C, více než 30 000 cyklů), které způsobují praskání jiných keramických substrátů. Stal se preferovaným substrátem pro výkonové elektronické moduly SiC a GaN nové generace v trakčních střídačích pro elektromobily a průmyslových motorových pohonech. Si₃N₄ se zpracovává téměř výhradně metodou AMB (aktivní pájení kovů).

Oxid berylia – tradiční vysoce výkonný, omezené použití

BeO nabízí nejvyšší tepelnou vodivost ze všech keramických materiálů pro desky plošných spojů, ale jeho toxicita jako suroviny (beryliový prach představuje vážné nebezpečí při vdechnutí) ho omezuje na aplikace, kde neexistuje žádná náhrada – především v rámci starších leteckých a obranných programů se zavedenými manipulačními protokoly. Nové konstrukce stále častěji místo toho uvádějí AlN nebo Si₃N₄.

Sedm výrobních procesů: Jak se měď dostává na keramiku

Materiál substrátu definuje tepelné vlastnosti keramické desky plošných spojů. Proces metalizace definuje elektrické vlastnosti – rozlišení stop, tloušťku mědi, počet vrstev a pevnost vazby měď-keramika. Highleap podporuje všech sedm procesů metalizace pro výrobní účely.

DBC — přímo vázaná měď

DBC spojuje silnou měděnou fólii (0.15–0.6 mm) s keramikou řízenou oxidační reakcí při teplotě přibližně 1 065 °C. Výsledné rozhraní měď-keramika má extrémně nízký tepelný odpor a podporuje vysokoproudové sběrnice pro výkonové moduly IGBT a MOSFET. DBC je zavedeným standardem pro keramické substráty výkonových modulů na alumině i AlN. Omezení: minimální šířka stopy je obvykle 0.3–0.5 mm kvůli silné mědi a definice hran je hrubší než u DPC.

DPC — Přímé pokovení mědi

DPC (dielektronické pokovování) naprašuje tenkou vrstvu titanu/mědi na keramický povrch ve vakuu a poté pokovuje měď na cílovou tloušťku (obvykle 5–140 µm) pomocí standardní fotolitografie a galvanického pokovování. Proces dosahuje jemného rozlišení (stopa/mezera až 50/50 µm) a podporuje pokovování průchozích otvorů a propojení – což z něj činí nejuniverzálnější metalizaci pro složité návrhy obvodů. DPC je standardní proces pro pouzdra LED s vysokou hustotou, VF obvody na oxidu hlinitém a jakékoli keramické návrhy desek plošných spojů vyžadující impedančně řízené stopy.

AMB — Aktivní pájení kovů

Technologie AMB spojuje měď s keramikou pomocí aktivní pájecí slitiny (obvykle Ag-Cu-Ti) při teplotě 800–900 °C ve vakuu. Aktivní titanový prvek smáčí keramický povrch a vytváří metalurgickou vazbu silnější než DBC – což je obzvláště důležité pro substráty Si₃N₄, kde standardní oxidační proces DBC nevytváří spolehlivou vazbu. Technologie AMB podporuje tloušťky mědi až 800 µm a je dominantní technologií pro výkonové polovodičové moduly SiC/GaN nové generace.

Silný film

Tlustovrstvé keramické desky plošných spojů používají sítotiskové vodivé pasty (stříbro, zlato, stříbro-palladium) slinované při teplotě 850–900 °C. Tento proces umožňuje tištění rezistorů a kondenzátorů přímo na substrátu – čímž se eliminují diskrétní pasivní prvky v hybridních obvodech. Tlustovrstvý proces výroby keramických desek plošných spojů je cenově nejvýhodnějším procesem pro aplikace se středním proudem a většími rozměry prvků (minimální šířka čáry obvykle 100–150 µm). Standard pro automobilové senzory, průmyslové řídicí prvky a hybridní mikroelektroniku.

Tenký film

Tenkovrstvé keramické desky plošných spojů (PCB) nanášejí kov naprašováním nebo odpařováním a poté se na ně nanáší vzorek fotolitograficky – čímž se dosahuje nejlepšího rozlišení ze všech procesů výroby keramických desek plošných spojů (řádka/mezera až 10/10 µm). Tenký film je určen pro přesné RF filtry, mikrovlnné obvody a vysokofrekvenční aplikace, kde geometrie stopy přímo řídí impedanci a vložný útlum. Tloušťka mědi je omezená (obvykle pod 5 µm); konstrukce vyžadující vyšší proud kombinují vzorování tenkého filmu s následným pokovováním (přístup DPC).

LTCC — Nízkoteplotní ko-vypalovaná keramika

LTCC vypaluje vrstvy keramických pásek s vloženými stříbrnými nebo zlatými vodiči při teplotě 850–900 °C, čímž vznikají vícevrstvé keramické desky plošných spojů (10+ vrstev) s integrovanými propojovacími otvory, dutinami a vloženými pasivními součástkami. LTCC je standardem pro kompaktní RF moduly, mmWave front-endy (automobilové radary, 5G antény) a jakékoli konstrukce vyžadující trojrozměrnou hustotu propojení v hermetickém keramickém pouzdře. Naše kapacity v oblasti LTCC a HTCC pokrývají jak prototypovou, tak i výrobní objemy.

HTCC — Vysokoteplotní ko-vypalovaná keramika

HTCC se vypaluje při teplotě 1 500–1 800 °C s použitím wolframových nebo molybdenových vodičů (zlato a stříbro tyto teploty nepřežijí). HTCC vyrábí substráty s nejvyšší strukturální pevností a chemickou odolností – určené pro hermetické pouzdra, vrtné přístroje a elektroniku pro extrémní prostředí. Nevýhodou je nižší vodivost vodičů (W a Mo mají 3–5× vyšší odpor než Cu nebo Ag) a dražší nástroje.

Výběr správné keramické desky plošných spojů pro vaši aplikaci

Většina projektů se zaměřuje na jednu z pěti kombinací materiál-proces. Výběr je dán závaznými omezeními v návrhu – proudem, tepelnými cykly, rozlišením stopy, frekvencí nebo náklady.

Tabulka výrobních kapacit Highleap

Jak specifikovat a objednat keramické desky plošných spojů

Neúplné specifikace jsou hlavní příčinou zpoždění cenových nabídek a překvapení u prvního produktu u projektů keramických desek plošných spojů. Na rozdíl od objednávek FR4, kde výchozí hodnoty pokrývají většinu případů, keramické desky plošných spojů vyžadují explicitní specifikaci každého parametru, protože neexistují žádné průmyslové standardy.

Váš balíček cenové nabídky pro keramické desky plošných spojů by měl obsahovat:

Pokud si nejste jisti výběrem materiálu nebo procesu, zašlete nám, co máte k dispozici. Náš technický tým poskytuje posouzení DFM a doporučení materiálů na základě vašich tepelných, elektrických a mechanických požadavků – ještě než se zavážete ke konkrétní konstrukci.

Často kladené dotazy

Jaké substrátové materiály jsou k dispozici pro keramické desky plošných spojů?

Čtyři keramické substráty pro desky plošných spojů pro výrobní účely jsou oxid hlinitý (Al₂O₃) s tepelnou vodivostí 24–28 W/m·K, nitrid hliníku (AlN) se 170–200 W/m·K, nitrid křemíku (Si₃N₄) s 80–90 W/m·K s nejvyšší lomovou houževnatostí a oxid berylia (BeO) s 250–300 W/m·K pro starší aplikace s vysokým výkonem. Oxid hlinitý zvládá většinu aplikací s nejnižšími náklady; AlN se používá ve vysoce výkonných modulech, kde je tepelná vodivost hlavním omezením; Si₃N₄ je specifikován tam, kde je nejdůležitější odolnost vůči tepelným cyklům a mechanická robustnost – například střídače SiC/GaN pro elektromobily.

Jaký je rozdíl mezi keramickými deskami plošných spojů DBC, DPC a AMB?

DBC spojuje silnou měď (0.15–0.6 mm) s keramikou při teplotě přibližně 1 065 °C pomocí řízeného oxidačního procesu – nejvhodnější pro vysokoproudé výkonové moduly na oxidu hlinitém a AlN. DPC nanáší tenkou vrstvu měděného zárodku naprašováním a poté se nanášejí na destičky o cílové tloušťce – nejvhodnější pro jemné obvody, LED diody a RF konstrukce. AMB pájí měď při teplotě 800–900 °C s použitím aktivního kovového plniva – nejvhodnější pro substráty Si₃N₄ a jakékoli aplikace vyžadující co nejsilnější vazbu měď-keramika a extrémní odolnost vůči tepelným cyklům. Podrobnější technické srovnání naleznete v našich podrobnostech o procesu DBC .

Kolik stojí keramické desky plošných spojů (PCB) ve srovnání s FR4?

Keramické desky plošných spojů (PCB) obvykle stojí 5–50krát více než ekvivalentní desky FR4 v závislosti na materiálu substrátu, procesu metalizace, velikosti desky a objednaném množství. Tlustý film oxidu hlinitého je nejdostupnější keramickou variantou. AlN a Si₃N₄ AMB se vyznačují nejvyšší prémií. Přesná cena závisí výhradně na vašem konkrétním návrhu – substrát pro LED diody z oxidu hlinitého DPC o rozměrech 10 mm × 10 mm stojí velmi odlišně od substrátu pro výkonový modul AlN DBC o rozměrech 50 mm × 80 mm. Pro přesnou cenovou nabídku na základě vašeho skutečného návrhu nám zašlete své soubory Gerber. Podrobnější informace o tom, co ovlivňuje ceny keramických desek plošných spojů, naleznete v naší analýze nákladů na keramické desky plošných spojů.

Mohou být keramické desky plošných spojů vícevrstvé?

Ano. Procesy společného vypalování LTCC a HTCC podporují více než 10 vrstev s vestavěnými rezistory, kondenzátory, induktory a vertikálními propojeními. Substráty DBC a AMB mají obvykle 1–2 vodivé vrstvy. DPC podporuje 2–4 vrstvy s pokovenými průchozími otvory na substrátech z oxidu hlinitého nebo AlN. Pro složité vícevrstvé návrhy se podívejte na naše možnosti vícevrstvých keramických desek plošných spojů.

Jaké soubory potřebuji k získání cenové nabídky na keramické desky plošných spojů?

Kompletní soubory Gerber pro všechny vrstvy, výrobní výkres s uvedením keramického materiálu a stupně čistoty, tloušťky a tolerance substrátu, metody metalizace, tloušťky mědi, povrchové úpravy, rozměrových tolerancí, kritérií elektrických zkoušek, množství a cílového data dodání. Pro montáž na klíč přidejte kusovník a soubory pro pick-and-place. S tímto balíčkem vystavíme cenovou nabídku s rozpisem nákladů na jednotlivé položky – cena závisí na vašem skutečném návrhu a nebudeme odhadovat částku u sady Gerber, kterou jsme nezkontrolovali.