Изготовление и производство керамических печатных плат на заказ.

В керамических печатных платах используются неорганические керамические подложки — оксид алюминия, нитрид алюминия, нитрид кремния — вместо органического стекловолокна и эпоксидной смолы, применяемых в стандартных платах FR4. Керамическая подложка напрямую соединяется с медными проводниками без отдельного диэлектрического изоляционного слоя, создавая тепловой путь от компонента к радиатору, который в 50–500 раз эффективнее, чем у FR4. Именно это структурное преимущество объясняет, почему керамические печатные платы используются в силовых модулях, светодиодах высокой яркости, радиочастотных трактах, подложках для лазерных диодов и в любых областях применения, где тепловой поток, рабочая температура или срок службы при термических циклах превышают возможности органических ламинатов.

Компания Highleap Electronics производит керамические печатные платы на подложках из оксида алюминия (Al₂O₃), нитрида алюминия (AlN) и нитрида кремния (Si₃N₄) с использованием технологий DBC, DPC, толстопленочных и тонкопленочных покрытий. LTCC и HTCC Технологические процессы. Мы также осуществляем сборку компонентов на керамических подложках — поверхностный монтаж, проволочное соединение, установка кристаллов и электрическое тестирование — под одной крышей.

Получить расчет стоимости керамической печатной платы →

Четыре керамических материала для подложек и их применение.

Каждая керамическая печатная плата начинается с подложки. Выбранный материал определяет теплопроводность, механическую прочность, соответствие коэффициента теплового расширения полупроводниковому кристаллу и стоимость готовой платы. Компания Highleap хранит на складе и обрабатывает все четыре типа керамических подложек производственного класса.

Глинозем — основной материал в производстве.

Алюмокерамические печатные платы На долю оксида алюминия приходится большая часть мирового производства керамических печатных плат. Доступный в 96% и 99.6% чистоты, оксид алюминия обеспечивает практичную теплопроводность (в 50–100 раз лучше, чем у FR4), отличную электрическую изоляцию и уровень стоимости, что делает его пригодным для среднесерийного производства. Мы используем 96% оксид алюминия для большинства применений в светодиодах, датчиках и силовой электронике, а 99.6% — когда требуется более жесткая шероховатость поверхности или допуски на диэлектрические свойства, как правило, для тонкопленочных ВЧ-цепей.

Нитрид алюминия — лидер по тепловым характеристикам.

Нитрид алюминия (AlN) обеспечивает в 7 раз большую теплопроводность, чем оксид алюминия, и наиболее близкое соответствие коэффициента теплового расширения (КТР) кремнию среди керамических подложек (4.5 против 3.0 ppm/°C). Именно это соответствие КТР объясняет, почему AlN используется везде, где полупроводниковые кристаллы непосредственно припаиваются к подложке — силовые модули, корпуса лазерных диодов и радиочастотные модули 5G. Компромисс заключается в стоимости и более высоких требованиях к металлизации. инженерная поддержка по вопросам терморегулирования Это помогает определить, действительно ли для вашей конструкции необходим AlN, или же оксид алюминия с улучшенной конструкцией теплопроводящего интерфейса позволит достичь той же целевой температуры перехода при меньших затратах.

Нитрид кремния — самая прочная керамика для экстремальных условий езды на велосипеде.

Si₃N₄ обеспечивает в 2–3 раза большую трещиностойкость, чем оксид алюминия или AlN, что позволяет ему выдерживать термические циклы (от –55 до +250 °C, более 30 000 циклов), которые приводят к растрескиванию других керамических подложек. Он стал предпочтительной подложкой для SiC и GaN следующего поколения. силовые электронные модули В инверторах тягового привода электромобилей и приводах промышленных двигателей. Si₃N₄ обрабатывается почти исключительно методом металлизации с использованием активной металлической пайки (AMB).

Оксид бериллия — высокоэффективный продукт, ограниченного применения, характерный для многих регионов.

BeO обладает самой высокой теплопроводностью среди всех керамических материалов для печатных плат, но его токсичность как сырья (пыль бериллия представляет серьезную опасность при вдыхании) ограничивает его применение там, где нет замены — в первую очередь, в устаревших аэрокосмических и оборонных программах с установленными протоколами обращения. В новых проектах все чаще вместо него используются AlN или Si₃N₄.

Семь производственных процессов: как медь наносится на керамику.

Материал подложки определяет тепловые свойства керамической печатной платы. Процесс металлизации определяет электрические характеристики — разрешение дорожек, толщину медного слоя, количество слоев и прочность соединения меди с керамикой. Highleap поддерживает все семь производственных процессов металлизации.

DBC — медь, соединенная прямым способом

Технология DBC обеспечивает соединение толстой медной фольги (0.15–0.6 мм) с керамикой посредством контролируемой реакции окисления при температуре приблизительно 1,065 °C. Полученный медно-керамический интерфейс обладает чрезвычайно низким тепловым сопротивлением и поддерживает сильноточные шины для силовых модулей на основе IGBT и MOSFET. DBC является общепринятым стандартом для керамические подложки силовых модулей Как на оксиде алюминия, так и на нитриде алюминия. Ограничение: минимальная ширина дорожки обычно составляет 0.3–0.5 мм из-за толстого слоя меди, а четкость краев ниже, чем у DPC.

DPC — Прямое медное покрытие

Технология DPC предполагает напыление тонкого титаново-медного затравочного слоя на керамическую поверхность в вакууме, после чего с помощью стандартной фотолитографии и электролитического осаждения наносится медь до заданной толщины (обычно 5–140 мкм). Процесс обеспечивает высокое разрешение линий (толщина трассы/промежутка до 50/50 мкм) и позволяет создавать сквозные отверстия и переходные отверстия с металлизацией, что делает его наиболее универсальным методом металлизации для сложных схем. DPC является стандартным процессом для светодиодных корпусов высокой плотности, радиочастотных схем на оксиде алюминия и любых керамических печатных плат, требующих трасс с контролируемым импедансом.

AMB — Активная пайка металлом

Технология AMB соединяет медь с керамикой с помощью активного припоя (обычно Ag-Cu-Ti) при температуре 800–900 °C в вакууме. Активный титановый элемент смачивает поверхность керамики, создавая металлургическое соединение, более прочное, чем DBC, что особенно важно для подложек Si₃N₄, где стандартный процесс окисления DBC не обеспечивает надежного соединения. Технология AMB позволяет использовать медь толщиной до 800 мкм и является доминирующей технологией для силовые полупроводниковые модули SiC/GaN следующего поколения.

Толстая пленка

Толстопленочные керамические печатные платы Для изготовления печатных плат используются проводящие пасты, нанесенные методом трафаретной печати (серебро, золото, серебро-палладий), спеченные при температуре 850–900 °C. Этот процесс позволяет печатать резисторы и конденсаторы непосредственно на подложке, исключая использование дискретных пассивных компонентов в гибридных схемах. Толстопленочный метод является наиболее экономически эффективным способом изготовления керамических печатных плат для применений со средним током и большими размерами элементов (минимальная ширина линии обычно составляет 100–150 мкм). Он является стандартом для автомобильных датчиков, систем промышленного управления и гибридной микроэлектроники.

Тонкая пленка

Тонкопленочные керамические печатные платы Нанесение металла методом магнетронного распыления или испарения, а затем формирование рисунка с помощью фотолитографии — достижение наивысшего разрешения среди всех процессов изготовления керамических печатных плат (ширина линии/промежутка до 10/10 мкм). Тонкопленочные материалы используются в прецизионных ВЧ-фильтрах, микроволновых схемах и высокочастотных приложениях, где геометрия дорожек напрямую контролирует импеданс и потери на входе. Толщина меди ограничена (обычно менее 5 мкм); в конструкциях, требующих более высокого тока, тонкопленочное формирование рисунка сочетается с последующим нанесением покрытия (подход DPC).

LTCC — низкотемпературная керамика, обожженная при низких температурах.

Технология LTCC позволяет получать многослойные керамические ленточные платы (более 10 слоев) с интегрированными серебряными или золотыми проводниками при температуре 850–900 °C, в результате чего создаются многослойные керамические печатные платы (10 и более слоев) с интегрированными переходными отверстиями, полостями и встроенными пассивными компонентами. LTCC является стандартом для компактных радиочастотных модулей, миллиметровых волновых интерфейсов (автомобильные радары, антенны 5G) и любых конструкций, требующих трехмерной плотности межсоединений в герметичном керамическом корпусе. Возможности LTCC и HTCC охватывают как прототипы, так и серийное производство.

HTCC — Высокотемпературная керамика, обожженная при высоких температурах.

HTCC (высокотемпературная термообработка при высоких температурах) производится при температуре 1,500–1,800 °C с использованием проводников из вольфрама или молибдена (золото и серебро не выдерживают таких температур). HTCC позволяет получать подложки с высочайшей структурной прочностью и химической стойкостью, предназначенные для герметичных корпусов, скважинных приборов и электроники, работающей в экстремальных условиях. Компромисс заключается в более низкой проводимости проводников (W и Mo имеют в 3–5 раз более высокое удельное сопротивление, чем Cu или Ag) и более дорогостоящем оборудовании.

Выбор подходящей керамической печатной платы для вашего приложения

В большинстве проектов в итоге используется одна из пяти комбинаций материалов и технологических процессов. Выбор определяется ограничивающими факторами при проектировании — током, термическими циклами, разрешением трассировки, частотой или стоимостью.

Таблица производственных возможностей Highleap

Как выбрать и заказать керамические печатные платы

Неполные спецификации являются основной причиной задержек в предоставлении коммерческих предложений и неожиданностей при изготовлении первого образца керамических печатных плат. В отличие от заказов по стандарту FR4, где значения по умолчанию охватывают большинство случаев, для керамических печатных плат требуется явное указание каждого параметра, поскольку стандартных отраслевых значений по умолчанию не существует.

В ваш пакет документов для составления коммерческого предложения на керамические печатные платы должны входить:

Если вы не уверены в выборе материала или технологического процесса, пришлите имеющиеся у вас данные. Наша инженерная команда предоставит вам необходимую информацию. Анализ технологичности проектирования и рекомендации по материалам. Исходя из ваших требований к тепловым, электрическим и механическим системам — прежде чем вы примете решение о конкретном строительстве.

Часто задаваемые вопросы

Какие материалы подложки доступны для керамических печатных плат?

Для производства печатных плат используются четыре типа керамических подложек: оксид алюминия (Al₂O₃) с теплопроводностью 24–28 Вт/м·К, нитрид алюминия (AlN) с теплопроводностью 170–200 Вт/м·К, нитрид кремния (Si₃N₄) с теплопроводностью 80–90 Вт/м·К и самой высокой трещиностойкостью, а также оксид бериллия (BeO) с теплопроводностью 250–300 Вт/м·К для традиционных мощных приложений. Оксид алюминия подходит для большинства применений с наименьшими затратами; AlN используется в мощных модулях, где теплопроводность является ограничивающим фактором; Si₃N₄ применяется там, где наиболее важны устойчивость к термическим циклам и механическая прочность — например, в инверторах для электромобилей на основе SiC/GaN.

В чём разница между керамическими печатными платами DBC, DPC и AMB?

DBC обеспечивает соединение толстого слоя меди (0.15–0.6 мм) с керамикой при температуре приблизительно 1,065 °C посредством контролируемого процесса окисления — оптимально подходит для сильноточных силовых модулей на оксиде алюминия и нитриде алюминия. DPC наносит тонкий слой затравки меди методом магнетронного распыления, а затем пластины до целевой толщины — оптимально подходит для тонких цепей, светодиодов и радиочастотных схем. AMB осуществляет пайку меди при температуре 800–900 °C с использованием активного металлического припоя — оптимально подходит для подложек Si₃N₄ и любых применений, требующих максимально прочного соединения меди с керамикой и экстремальной устойчивости к термическим циклам. См. наши Подробности процесса DBC для более глубокого технического сравнения.

Сколько стоят керамические печатные платы по сравнению с платами FR4?

Стоимость керамических печатных плат обычно в 5–50 раз выше, чем у аналогичных плат из FR4, в зависимости от материала подложки, процесса металлизации, размера платы и количества заказа. Толстопленочная керамическая подложка из оксида алюминия является наиболее доступным вариантом. Наибольшую надбавку заносят AlN и Si₃N₄ AMB. Точная цена полностью зависит от вашего конкретного проекта — стоимость подложки для светодиода из оксида алюминия размером 10 мм × 10 мм значительно отличается от стоимости подложки для силового модуля из AlN DBC размером 50 мм × 80 мм. Отправьте ваши файлы Gerber для получения точной цены, основанной на вашем фактическом проекте. Для получения более подробной информации о факторах, влияющих на цену керамических печатных плат, см. наш раздел анализ стоимости керамических печатных плат.

Могут ли керамические печатные платы быть многослойными?

Да. Процессы совместного обжига LTCC и HTCC позволяют создавать более 10 слоев со встроенными резисторами, конденсаторами, индукторами и вертикальными межсоединениями. Подложки DBC и AMB обычно содержат 1–2 проводящих слоя. DPC поддерживает 2–4 слоя с металлизированными сквозными отверстиями на подложках из оксида алюминия или нитрида алюминия. Для сложных многослойных конструкций см. наши возможности многослойных керамических печатных плат.

Какие файлы мне нужны для получения расценки на керамическую печатную плату?

Полный комплект файлов Gerber для всех слоев, чертеж для изготовления с указанием керамического материала и марки чистоты, толщины и допуска подложки, метода металлизации, толщины меди, качества поверхности, допусков на размеры, критериев электрических испытаний, количества и целевой даты поставки. Для сборки «под ключ» добавьте спецификацию материалов и файлы для установки компонентов. С этим пакетом мы выставляем коммерческое предложение с пошаговой разбивкой стоимости — цена зависит от вашего фактического проекта, и мы не будем гадать о цене комплекта файлов Gerber, который мы не проверяли.