Producent i produkcja niestandardowych płytek PCB z ceramiki

Ceramiczne płytki PCB wykorzystują nieorganiczne podłoża ceramiczne – tlenek glinu, azotek glinu, azotek krzemu – zamiast organicznego włókna szklanego i żywicy epoksydowej, stosowanego w standardowych płytkach FR4. Podłoże ceramiczne łączy się bezpośrednio z obwodami miedzianymi bez oddzielnej dielektrycznej warstwy izolacyjnej, tworząc ścieżkę termiczną od komponentu do radiatora, która jest 50–500 razy bardziej wydajna niż FR4. Ta zaleta konstrukcyjna sprawia, że ​​ceramiczne płytki PCB są przeznaczone do modułów zasilania, diod LED o wysokiej jasności, przednich modułów RF, podmontażowych diod laserowych oraz wszelkich zastosowań, w których strumień ciepła, temperatura pracy lub cykle termiczne przekraczają możliwości laminatów organicznych.

Firma Highleap Electronics produkuje ceramiczne płytki PCB na podłożach z tlenku glinu (Al₂O₃), azotku glinu (AlN) i azotku krzemu (Si₃N₄) w procesach DBC, DPC, grubowarstwowych, cienkowarstwowych, LTCC i HTCC . Oferujemy również montaż komponentów na podłożach ceramicznych – SMT, łączenie drutowe, mocowanie matryc i testy elektryczne – pod jednym dachem.

Uzyskaj wycenę płytki PCB ceramicznej →

Cztery ceramiczne materiały podłoża i ich zastosowanie

Każda ceramiczna płytka PCB zaczyna się od podłoża. Wybrany materiał decyduje o przewodności cieplnej, wytrzymałości mechanicznej, dopasowaniu współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) do struktury półprzewodnikowej oraz koszcie gotowej płytki. Firma Highleap magazynuje i przetwarza wszystkie cztery podłoża ceramiczne klasy produkcyjnej.

Tlenek glinu — roboczy koń produkcyjny

Ceramiczne płytki PCB z tlenku glinu stanowią większość światowej produkcji płytek ceramicznych. Dostępne w klasach czystości 96% i 99.6%, tlenek glinu zapewnia praktyczną przewodność cieplną (50–100 razy lepszą niż FR4), doskonałą izolację elektryczną oraz poziom kosztów, który sprawia, że ​​jest opłacalny w przypadku produkcji o średniej wielkości. Używamy 96% tlenku glinu w większości zastosowań w diodach LED, czujnikach i elektronice mocy, a 99.6% tlenku glinu, gdy wymagana jest mniejsza chropowatość powierzchni lub tolerancja dielektryczna — zazwyczaj w cienkowarstwowych obwodach RF.

Azotek glinu — lider w dziedzinie wydajności cieplnej

AlN zapewnia siedmiokrotnie wyższą przewodność cieplną niż tlenek glinu i najbardziej zbliżony współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) do krzemu wśród podłoży ceramicznych (4.5 w porównaniu do 3.0 ppm/°C). To właśnie ten współczynnik CTE jest powodem, dla którego AlN jest stosowany wszędzie tam, gdzie układy półprzewodnikowe są bezpośrednio połączone z podłożem — w modułach mocy, obudowach diod laserowych i modułach RF 5G. Kompromisem są koszty i bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące metalizacji. Nasze wsparcie inżynieryjne w zakresie zarządzania temperaturą pomaga określić, czy Państwa projekt rzeczywiście wymaga AlN, czy też tlenek glinu o lepszej konstrukcji interfejsu termicznego pozwoli osiągnąć tę samą docelową temperaturę złącza przy niższym koszcie.

Azotek krzemu – najtwardsza ceramika do ekstremalnych cykli

Si₃N₄ zapewnia 2–3 razy większą wytrzymałość na pękanie niż tlenek glinu lub AlN, co pozwala mu przetrwać cykle temperaturowe (od –55 do +250°C, ponad 30 000 cykli), które powodują pękanie innych podłoży ceramicznych. Stał się on preferowanym podłożem dla modułów elektroniki mocy SiC i GaN nowej generacji w falownikach trakcyjnych pojazdów elektrycznych i przemysłowych napędach silników. Si₃N₄ jest przetwarzany niemal wyłącznie metodą metalizacji AMB (aktywne lutowanie metali).

Tlenek berylu — starsza, wysokowydajna technologia, ograniczone zastosowanie

BeO oferuje najwyższą przewodność cieplną spośród wszystkich ceramicznych materiałów PCB, ale toksyczność jego surowca (pył berylu stanowi poważne zagrożenie wdychania) ogranicza go do zastosowań, w których nie ma zamiennika – głównie w starszych programach lotniczo-kosmicznych i obronnych z ustalonymi protokołami postępowania. Nowe projekty coraz częściej wykorzystują AlN lub Si₃N₄.

Siedem procesów produkcyjnych: Jak miedź trafia na ceramikę

Materiał podłoża definiuje właściwości termiczne ceramicznej płytki PCB. Proces metalizacji definiuje parametry elektryczne – rozdzielczość ścieżek, grubość miedzi, liczbę warstw oraz wytrzymałość połączenia miedzi z ceramiką. Highleap obsługuje wszystkie siedem procesów metalizacji stosowanych w produkcji.

DBC — miedź bezpośrednio wiązana

Metoda DBC łączy grubą folię miedzianą (0.15–0.6 mm) z ceramiką poprzez kontrolowaną reakcję utleniania w temperaturze około 1,065°C. Powstały interfejs miedzi z ceramiką charakteryzuje się wyjątkowo niską rezystancją termiczną i obsługuje wysokoprądowe szyny zbiorcze dla modułów mocy IGBT i MOSFET. Metoda DBC jest uznanym standardem dla ceramicznych podłoży modułów mocy, zarówno na tlenku glinu, jak i na AlN. Ograniczenie: minimalna szerokość ścieżki wynosi zazwyczaj 0.3–0.5 mm ze względu na grubą miedź, a krawędzie są grubsze niż w przypadku metody DPC.

DPC — Miedź bezpośrednio platerowana

Metoda DPC napyla cienką warstwę tytanu/miedzi na powierzchnię ceramiki w warunkach próżni, a następnie pokrywa ją warstwą miedzi o docelowej grubości (zwykle 5–140 µm) za pomocą standardowej fotolitografii i galwanizacji. Proces ten zapewnia rozdzielczość drobnych linii (stosunek śladu do odstępu do 50/50 µm) i obsługuje metalizowane otwory przelotowe i przelotki, co czyni go najbardziej wszechstronnym procesem metalizacji w przypadku złożonych projektów obwodów. DPC to standardowy proces dla obudów LED o dużej gęstości, obwodów RF na tlenku glinu oraz wszelkich projektów płytek PCB z ceramiki wymagających ścieżek o kontrolowanej impedancji.

AMB — Aktywne lutowanie metali

AMB łączy miedź z ceramiką za pomocą aktywnego stopu lutowniczego (zazwyczaj Ag-Cu-Ti) w temperaturze 800–900°C w próżni. Aktywny element tytanowy zwilża powierzchnię ceramiki, tworząc wiązanie metalurgiczne mocniejsze niż DBC — szczególnie ważne w przypadku podłoży Si₃N₄, gdzie standardowy proces utleniania DBC nie tworzy niezawodnego wiązania. AMB obsługuje grubości miedzi do 800 µm i jest dominującą technologią dla modułów półprzewodnikowych mocy SiC/GaN nowej generacji.

Gruba folia

Ceramiczne płytki PCB o grubej warstwie wykorzystują sitodrukowane pasty przewodzące (srebro, złoto, srebro-pallad) spiekane w temperaturze 850–900°C. Proces ten umożliwia drukowanie rezystorów i kondensatorów bezpośrednio na podłożu, eliminując konieczność stosowania dyskretnych elementów pasywnych w układach hybrydowych. Gruba warstwa to najbardziej opłacalny proces produkcji ceramicznych płytek PCB w zastosowaniach o średnim natężeniu prądu i większych rozmiarach elementów (minimalna szerokość linii zazwyczaj 100–150 µm). Standard dla czujników samochodowych, układów sterowania przemysłowego i hybrydowej mikroelektroniki.

Cienki film

Cienkowarstwowe ceramiczne płytki PCB nanoszą metal poprzez rozpylanie lub parowanie, a następnie tworzą wzory metodą fotolitografii, osiągając najwyższą rozdzielczość spośród wszystkich procesów produkcji ceramicznych płytek PCB (linia/przestrzeń do 10/10 µm). Technologia cienkowarstwowa jest przeznaczona do precyzyjnych filtrów RF, obwodów mikrofalowych i zastosowań wysokoczęstotliwościowych, w których geometria ścieżek bezpośrednio kontroluje impedancję i tłumienność. Grubość miedzi jest ograniczona (zwykle poniżej 5 µm); projekty wymagające wyższego natężenia prądu łączą wzorowanie cienkowarstwowe z późniejszym powlekaniem (metoda DPC).

LTCC — ceramika współwypalana w niskiej temperaturze

Technologia LTCC wypala warstwy taśmy ceramicznej z osadzonymi przewodnikami ze srebra lub złota w temperaturze 850–900°C, wytwarzając wielowarstwowe ceramiczne płytki PCB (ponad 10 warstw) ze zintegrowanymi przelotkami, gniazdami i wbudowanymi elementami pasywnymi. Technologia LTCC to standard dla kompaktowych modułów RF, front-endów mmWave (radary samochodowe, anteny 5G) oraz wszelkich projektów wymagających trójwymiarowej gęstości połączeń w hermetycznej obudowie ceramicznej. Nasze możliwości w zakresie technologii LTCC i HTCC obejmują zarówno produkcję prototypów, jak i produkcję seryjną.

HTCC — ceramika współwypalana w wysokiej temperaturze

HTCC wypala się w temperaturze 1,500–1,800°C z użyciem przewodników wolframowych lub molibdenowych (złoto i srebro nie wytrzymują tych temperatur). HTCC wytwarza podłoża o najwyższej wytrzymałości strukturalnej i odporności chemicznej – przeznaczone do hermetycznych obudów, instrumentów wiertniczych i elektroniki pracującej w ekstremalnych warunkach. Kompromisem jest niższa przewodność przewodnika (W i Mo mają 3–5 razy wyższą rezystywność niż Cu lub Ag) oraz droższe narzędzia.

Wybór odpowiedniej ceramicznej płytki PCB do Twojego zastosowania

Większość projektów opiera się na jednej z pięciu kombinacji materiał-proces. Wybór zależy od wiążących ograniczeń projektu – prądu, cykli termicznych, rozdzielczości śladu, częstotliwości lub kosztów.

Tabela możliwości produkcyjnych firmy Highleap

Jak określać i zamawiać płytki PCB ceramiczne

Niekompletne specyfikacje są główną przyczyną opóźnień w wycenie i niespodzianek przy pierwszym artykule w projektach płytek ceramicznych PCB. W przeciwieństwie do zamówień FR4, gdzie domyślne wartości pokrywają większość przypadków, ceramiczne płytki PCB wymagają wyraźnej specyfikacji każdego parametru, ponieważ nie istnieją standardowe wartości domyślne w branży.

Pakiet wyceny płytek PCB ceramicznych powinien zawierać:

Jeśli nie masz pewności co do wyboru materiałów lub procesu, prześlij nam to, co posiadasz. Nasz zespół inżynierów przeprowadzi analizę DFM i zaleci materiały w oparciu o Twoje wymagania termiczne, elektryczne i mechaniczne – zanim podejmiesz decyzję o konkretnej konstrukcji.

Najczęściej zadawane pytania

Jakie materiały podłoża są dostępne dla płytek PCB ceramicznych?

Cztery ceramiczne podłoża PCB klasy produkcyjnej to tlenek glinu (Al₂O₃) o przewodności cieplnej 24–28 W/m·K, azotek glinu (AlN) o przewodności cieplnej 170–200 W/m·K, azotek krzemu (Si₃N₄) o przewodności cieplnej 80–90 W/m·K i najwyższej odporności na pękanie oraz tlenek berylu (BeO) o przewodności cieplnej 250–300 W/m·K do starszych zastosowań o dużej mocy. Tlenek glinu sprawdza się w większości zastosowań przy najniższych kosztach; AlN jest stosowany w modułach dużej mocy, w których przewodność cieplna jest decydującym czynnikiem; Si₃N₄ jest stosowany tam, gdzie najważniejsze są odporność na cykle termiczne i wytrzymałość mechaniczna — na przykład w falownikach elektrycznych SiC/GaN.

Jaka jest różnica pomiędzy płytkami PCB ceramicznymi DBC, DPC i AMB?

Metoda DBC spaja grubą miedź (0.15–0.6 mm) z ceramiką w temperaturze około 1,065°C w kontrolowanym procesie utleniania – najlepszym rozwiązaniem dla wysokoprądowych modułów mocy na tlenku glinu i AlN. Metoda DPC osadza cienką warstwę miedzi poprzez natryskiwanie, a następnie nakładanie warstw o ​​docelowej grubości – najlepszym rozwiązaniem dla obwodów precyzyjnych, diod LED i układów RF. Metoda AMB lutuje miedź w temperaturze 800–900°C z użyciem aktywnego spoiwa metalicznego – najlepszym rozwiązaniem dla podłoży Si₃N₄ i wszelkich zastosowań wymagających możliwie najmocniejszego połączenia miedzi z ceramiką i ekstremalnej wytrzymałości na cykle termiczne. Szczegółowe porównanie techniczne można znaleźć w szczegółach procesu DBC .

Ile kosztują płytki PCB ceramiczne w porównaniu do FR4?

Ceramiczne płytki PCB zazwyczaj kosztują od 5 do 50 razy więcej niż równoważne płytki FR4, w zależności od materiału podłoża, procesu metalizacji, rozmiaru płytki i ilości zamówienia. Gruba warstwa tlenku glinu to najtańsza opcja ceramiczna. Najwyższą marżę mają płytki AlN i Si₃N₄ AMB. Dokładna cena zależy wyłącznie od konkretnego projektu — submount LED DPC z tlenku glinu o wymiarach 10 mm × 10 mm znacznie różni się od submountu modułu mocy AlN DBC o wymiarach 50 mm × 80 mm. Prześlij pliki Gerber, aby otrzymać dokładną wycenę opartą na rzeczywistym projekcie. Aby uzyskać więcej informacji na temat czynników wpływających na cenę ceramicznych płytek PCB, zapoznaj się z naszą analizą kosztów ceramicznych płytek PCB.

Czy płytki PCB ceramiczne mogą być wielowarstwowe?

Tak. Procesy współwypalania LTCC i HTCC obsługują ponad 10 warstw z wbudowanymi rezystorami, kondensatorami, cewkami indukcyjnymi i połączeniami pionowymi. Podłoża DBC i AMB zazwyczaj składają się z 1–2 warstw przewodzących. Podłoża DPC obsługują 2–4 warstwy z metalizowanymi otworami przelotowymi na podłożach z tlenku glinu lub AlN. W przypadku złożonych projektów wielowarstwowych zapoznaj się z naszą ofertą wielowarstwowych płytek ceramicznych PCB.

Jakich plików potrzebuję, aby otrzymać wycenę ceramicznej płytki PCB?

Kompletne pliki Gerber dla wszystkich warstw, rysunek wykonawczy określający materiał ceramiczny i stopień czystości, grubość i tolerancję podłoża, metodę metalizacji, grubość miedzi, wykończenie powierzchni, tolerancje wymiarowe, kryteria testów elektrycznych, ilość oraz docelową datę dostawy. W przypadku montażu pod klucz, dodajemy zestawienie materiałów (BOM) i pliki pick-and-place. W ramach tego pakietu sporządzamy wycenę z rozbiciem kosztów na poszczególne pozycje – cena zależy od rzeczywistego projektu i nie będziemy zgadywać wartości dla zestawu Gerber, którego nie sprawdziliśmy.