Услуги по производству печатных плат на керамической основе и поверхностному монтажу (SMT).

В печатных платах с керамической основой в качестве механической основы и электрического изолятора используется оксид алюминия (Al₂O₃), нитрид алюминия (AlN) или нитрид кремния (Si₃N₄) — диэлектрический слой между медной цепочкой и монтажной поверхностью отсутствует. Тепловое сопротивление составляет от 0.3°C/Вт (AlN DBC) до 0.8°C/Вт (оксид алюминия DBC), по сравнению с 3°C/Вт для алюминиевых печатных плат с керамической основой и 15°C/Вт для FR4.

Данное руководство посвящено вопросам, следующим за выбором материалов: интеграция тепловых элементов, толщина подложки, качество поверхности, виды отказов, сборка и составление технических условий.

1) Печатная плата с керамическим основанием в теплоотводящем блоке.

Керамическая подложка не является самостоятельным тепловым решением. Это один из слоев в многослойной структуре, идущей от перехода устройства к охлаждающей жидкости, — и слои над и под ней напрямую влияют на тепловое сопротивление системы.

Прокладка из силикона толщиной 50 мкм при мощности 3 Вт/м·К добавляет 0.5–1.0 °C/Вт к плате из нитрида алюминия с коэффициентом теплопередачи 0.3 °C/Вт, почти удваивая общее сопротивление. Во многих системах переход от силиконового термоинтерфейса к материалу с фазовым переходом позволяет восстановить более высокую температуру перехода, чем замена оксида алюминия на нитрид алюминия.

Три решения по спецификации, влияющие на всю архитектуру стека:

• Нижний слой медного покрытия: Полное покрытие медным слоем на нижнем слое минимизирует сопротивление растеканию на границе раздела керамика-термоинтерфейсная мембрана. Частичное покрытие создает тепловые мертвые зоны независимо от материала подложки.
• Плоскостность нижней медной пластины: Толщина внутреннего отражения ≤25 мкм позволяет создавать тонкие высокопроводящие термоинтерфейсные материалы (фазоизменяющиеся материалы, припой, серебряный спекатель). Этот единственный параметр позволяет увеличить проводимость термоинтерфейсных материалов с 3 Вт/м·К до более чем 150 Вт/м·К.
• Толщина подложки: Более тонкий слой уменьшает вертикальное сопротивление проводимости, но также уменьшает боковое распространение. Для устройств с большими кристаллами более тонкий слой всегда лучше. Для небольших кристаллов на большой подложке, перед принятием решения, необходимо провести моделирование.

2) Выбор толщины подложки

Толщина одновременно определяет два параметра: термостойкость (чем тоньше, тем лучше) и механическую прочность (чем толще, тем прочнее). Толщина по умолчанию 0.635 мм подходит для большинства применений, но не для всех.

Одно ограничение имеет решающее значение для оптимизации тепловых характеристик: напряжение изоляции. При диэлектрической прочности 17 кВ/мм алюминиевая подложка толщиной 0.635 мм обеспечивает рабочую изоляцию приблизительно 10 кВ. В приложениях, требующих напряжения >10 кВ, использование более тонких подложек невозможно независимо от теплового бюджета.

3) Варианты отделки поверхности

Качество обработки поверхности определяет паяемость, возможность проволочного соединения и срок хранения. Оно должно быть указано для верхней и нижней поверхностей независимо друг от друга и должно соответствовать всей последовательности сборки, а не только первой операции.

Если на одной плате требуется как поверхностное крепление (SMT), так и проволочное соединение, следует использовать твердое золочение на всех контактных площадках. Зональное покрытие (ENIG на контактных площадках SMT, твердое золочение на контактных площадках для пайки) обходится дороже из-за сложности процесса, чем оправдывает экономия на золоте.

4) Виды отказов в полевых условиях

Отказы печатных плат с керамическим основанием обусловлены механическими и межфазными факторами, а не химическими процессами или воздействием влаги, как в случае с FR4. Все три основных вида отказов можно предотвратить с помощью конструктивных решений.

Наиболее распространенной причиной отказов в полевых условиях является образование трещин, вызванных неправильной установкой . При установке винтов без металлических втулок возникают точечные нагрузки, которые оксид алюминия (вязкость разрушения 3–4 МПа·м½) не выдерживает. Решение: припаянные или приклеенные эпоксидной смолой металлические втулки во всех местах установки винтов; предельный крутящий момент 0.3–0.5 Н·м для алюминиевых втулок M3 в оксиде алюминия толщиной 0.635 мм. Клейкое крепление к холодной пластине полностью исключает точечные нагрузки при установке.

Расслоение DBC при термическом циклировании происходит, когда качество соединения оставляет желать лучшего или геометрия меди создает концентрацию напряжений. Большие изолированные медные островки с резкими краями представляют больший риск. Решение: избегать соотношения сторон медных участков >5:1; установить минимальную прочность сцепления на отслаивание ≥20 Н/см²; требовать проведения испытаний на термический удар в соответствии со стандартом JEDEC JESD22-A104 при квалификации первого образца.

Образование сколов и трещин по краям начинается с повреждений при транспортировке — микротрещин, возникших во время разделения компонентов или при падении платы. Трещина невидима при осмотре, но распространяется до обрыва цепи при термических циклах. Решение: скошенные углы (радиус ≥0.3 мм); зазор между медью и краем ≥0.5 мм; флуоресцентное обнаружение трещин для высоконадежных партий.

Усталость припоя при пайке кристаллов влияет на кремниевые кристаллы, припаянные к оксиду алюминия — несоответствие коэффициентов теплового расширения (КТР) ~3.5 ppm/°C создает сдвиговое напряжение, которое истощает соединения SAC305 в течение 1,000–3,000 автомобильных термических циклов. Решение: использовать подложки из нитрида алюминия (AlN) для устройств GaN/SiC (несоответствие КТР ~1.1 ppm/°C); указать спекание серебра для автомобильной пайки кристаллов — спеченное серебро выдерживает более 10 000 циклов при ΔT = 150°C; требовать долю пустот ≤5% по данным рентгеновского анализа.

5) Сборка и интеграция

Стандартные параметры сборки FR4 повреждают керамические подложки. Эти различия не являются необязательными корректировками — они предотвращают растрескивание и разрушение соединений, которые трудно диагностировать постфактум.

Профиль оплавления: уменьшить скорость нагрева до 1–2 °C/с (по сравнению с 3 °C/с для FR4). Увеличить зону выдержки при 150–180 °C до 90–120 секунд для выравнивания температуры по всей керамике перед началом оплавления. Пиковая температура и время выше точки ликвидуса остаются неизменными.

Варианты крепления кристалла в зависимости от требований к надежности:

• Припой SAC305: Стандарт для применения в неавтомобильной промышленности; доля пустот по данным рентгеновского анализа ≤10%; подходит для <3,000 циклов при ΔT ≤ 100°C.
• Эвтектика AuSn/AuGe: Герметичные корпуса и высокотемпературные приложения; требуются площадки с золотым покрытием; более высокая жесткость соединения, чем у серебряного спекания.
• Спекание серебра: Наилучший выбор для автомобильной и аэрокосмической промышленности; проводимость соединения 150–250 Вт/м·К; отсутствие риска переплавления при последующих операциях; требуется покрытие из чистой меди или серебра на контактных площадках кристалла.

Электрические соединения — запрессовочные разъемы не могут использоваться на керамических модулях. Стандартные варианты: припаянные штыревые разъемы; краевые разъемы с пружинными контактами; соединение с ленточным/гибким кабелем; прямой поверхностный монтаж на печатную плату системы (рассматривайте керамический модуль как компонент, проектируйте теплоотводящую площадку и объем припоя с учетом массы керамики и коэффициента теплового расширения).

Крепление охлаждающей пластины, от наименьшего к наибольшему тепловому сопротивлению: припой/пайка → спекание серебра → термоинтерфейсная паста с фазовым переходом и зажимом → термопаста с винтовым зажимом.

6) Как составить полное техническое задание

Неполные технические характеристики являются основной причиной задержек в предоставлении коммерческих предложений и отказов при производстве первого образца, а не производственные возможности. Для запроса коммерческого предложения на печатные платы с керамическим основанием необходимо указать все 12 параметров:

1. Материал подложки и чистота — Al₂O₃ 96%, Al₂O₃ 99.6%, AlN или Si₃N₄
2. Толщина подложки ± допуск — например, 0.635 мм ± 0.05 мм
3. Процесс металлизации — DBC, толстопленочный, тонкопленочный или AMB
4. Толщина меди, сверху и снизу — указывается отдельно; например, 0.3 мм / 0.3 мм для DBC
5. Отделка поверхности, верхняя и нижняя — чаще всего опускается; нижняя отделка должна соответствовать способу крепления холодной пластины.
6. Размеры и допуски платы — При необходимости добавьте фаску или радиус скругления углов.
7. Минимальная ширина и расстояние между трассами — Перед окончательным утверждением компоновки необходимо проверить возможности производителя.
8. По требованиям — диаметр, наполнитель, отделка
9. Требования к электрическим испытаниям — Напряжение целостности/изоляции; напряжение высокого напряжения, если требуется; второе по частоте пропуска поле.
10. Квалификационные требования — Диапазон и количество циклов термического циклирования; прочность сцепления; применимые стандарты (AEC-Q101, IEC 60068-2-14, MIL-PRF-38534)
11. Разбивка по количеству — Прототипирование и серийное производство могут осуществляться на разных линиях с различными ценами и сроками выполнения.
12. Структура слоев (многослойные конструкции) — Последовательность керамического и проводящего слоев; заполнение и покрытие переходных отверстий для LTCC или совместного обжига.

7) Сопутствующие товары

• Субстрат DBC: Наиболее распространенная конструкция печатной платы на керамической основе для силовой электроники — медь, соединенная с керамикой при температуре около 1,065 °C. Когда инженеры говорят «печатная плата на керамической основе» для силовых модулей, они обычно подразумевают подложку DBC с нанесенным рисунком.
• Толстопленочная керамическая печатная плата: Проводники, нанесенные методом трафаретной печати (5–20 мкм), обжигаются при температуре 850–1,000 °C. Более низкая стоимость по сравнению с DBC для применений со средним током; позволяет интегрировать резисторы и конденсаторы в керамическое основание.
• Субстрат AMB: При использовании активной металлической пайки (Active Metal Brazing) применяется припой Ag-Cu-Ti при температуре 800–900 °C. Обеспечивает более прочное соединение меди и керамики, чем DBC; предпочтительна для подложек на основе Si₃N₄ и автомобильных модулей, требующих более 10 000 термических циклов.
• LTCC: Многослойная керамика со встроенными проводниками и переходными отверстиями, обожженная при температуре 850–900 °C. Используется для радиочастотных модулей и многокристальных корпусов, где керамическая основа представляет собой трехмерную структуру межсоединений, а не просто теплоотводящую подложку.
• IMS / Металлоядерная печатная плата: Более дешевая альтернатива, когда тепловой бюджет, рассчитанный на использование керамики, не требуется. Тепловое сопротивление в 3–5 раз выше, чем у DBC из оксида алюминия. Правильный выбор, когда тепловой бюджет позволяет это.
• Сборка печатной платы с керамическим основанием: Совместная поставка материалов для монтажа кристаллов, проволочного соединения и высокотемпературной пайки оплавлением, а также изготовление подложки, снижает риски при обращении с материалами и обеспечивает совместимость технологических процессов.

Часто задаваемые вопросы

В чём разница между печатной платой с керамической основой и платой на подложке DBC?

DBC (Direct Bonded Copper) — это метод металлизации, при котором медная фольга припаивается к керамике при температуре около 1,065 °C. Все подложки DBC представляют собой печатные платы на керамической основе, но печатные платы на керамической основе также включают конструкции с толстопленочной и тонкопленочной металлизацией. В силовой электронике эти два термина часто используются взаимозаменяемо; в радиочастотных приложениях тонкопленочная металлизация на керамической основе встречается чаще, чем DBC.

Может ли печатная плата с керамическим основанием напрямую заменить печатную плату с металлическим сердечником?

Без доработки конструкции это невозможно. Керамические платы требуют использования металлических втулок в монтажных отверстиях, более низкой скорости оплавления (1–2 °C/с), отсутствия запрессовываемых разъемов и других правил разделения компонентов. Тепловое усиление реально — 0.3–0.8 °C/Вт против 3 °C/Вт для алюминиевых многослойных печатных плат — но замена требует явных изменений в процессе монтажа, межсоединений и сборки.

Какое качество обработки поверхности необходимо для поверхностного монтажа (SMT) и проволочного монтажа?

Требуется твердое золочение (3–5 мкм Ni / 0.5–2.0 мкм Au, нанесенное методом электроосаждения). Слой золота толщиной ~0.05 мкм, используемый ENIG, слишком тонкий для проволочного монтажа и приводит к отслоению припоя. При сборке как поверхностного монтажа, так и проволочного монтажа следует указывать твердое золочение на всех контактных площадках.

Почему печатные платы с керамическим основанием трескаются после прохождения входного контроля?

Большинство трещин, возникающих после проверки, появляются в процессе сборки, а не из-за дефектов подложки: незакрепленные винты, чрезмерно затянутые крепежные элементы или неровные поверхности холодной пластины. Субкритические микротрещины, возникающие при разделении компонентов — невидимые при стандартной проверке — также распространяются, вызывая обрывы цепей при термических циклах. Флуоресцентное обнаружение трещин на входе и при установке металлических втулок предотвращает оба вида отказов.

Каковы сроки изготовления прототипов печатных плат на керамической основе?

Сроки изготовления пленок из оксида алюминия (DBC): 2–4 недели. Сроки изготовления пленок из нитрида алюминия (AlN) (DBC): 3–5 недель. Толстопленочные пленки: 3–4 недели. Тонкопленочные пленки: 4–6 недель. Изготовление пленок нестандартных размеров увеличивает срок на 1–2 недели. Предоставление всех 12 параметров спецификации при запросе коммерческого предложения устраняет наиболее распространенную причину задержек.

Керамическая печатная плата — это то же самое, что и высокотемпературная печатная плата?

Нет. К высокотемпературным печатным платам относятся керамические, ПТФЭ/стеклянные, полиимидные и металлические подложки — любые платы, рассчитанные на температуру выше 130–150 °C, установленной для FR4. Керамическая основа — это категория с самыми высокими характеристиками: рабочие температуры выше 300 °C, теплопроводность в 60–600 раз выше, чем у полимерных диэлектриков. ПТФЭ также является высокотемпературным материалом, но не обеспечивает преимуществ в теплопроводности.

Запросите стоимость вашей печатной платы с керамическим основанием.