Погружение в керамические печатные платы: типы и характеристики материалов

Керамические печатные платы, также известные как керамические гибридные устройства, стали отраслевым стандартом для электрических компонентов. Первоначально эта технология использовалась в керамических конденсаторах, а теперь используется в различных приложениях благодаря свойствам керамических материалов, что делает их долговечными, надежными и отличной альтернативой традиционным электрическим компонентам. В этой статье рассматриваются материалы, типы, преимущества и недостатки керамических печатных плат, а также дается представление об их производстве и источниках поставок.

Что такое керамическая печатная плата?

Керамическая печатная плата — это тип печатной платы, изготовленной из основы или подложки из керамического материала, обычно неорганического диэлектрика, вместо традиционной основы из стекловолокна или эпоксидной смолы. Он состоит из тонкого изолирующего слоя керамического материала с металлической составляющей.

Основные компоненты керамических печатных плат

Интегральные схемы стали высокоинтегрированными: современные технологии и электроника содержат сотни или тысячи транзисторов и резисторов в сложной сборке, построенной на небольшом кремниевом чипе или интегральной схеме (ИС). Этим интегральным схемам требуется основание или подложка, на которых построены крошечные электронные материалы и соединения, а также структура, которая изолирует схему от внешнего окружения, превращая ее в компактный и прочный блок, известный как корпус. Подложки и корпуса необходимы для поддержания надежности интегральных схем, обеспечения изоляции и защиты.

Керамические материалы известны своими изоляционными свойствами, что делает их идеальными для подложек и корпусов интегральных схем. Их превосходная теплопроводность и газонепроницаемость делают их пригодными для применения в силовой электронике, гибридной микроэлектронике, электронных корпусах и многокристальных модулях, особенно в таких отраслях, как авиационно-космический и автомобилестроение, где требуются схемы с высокой плотностью мощности в суровых условиях. Керамические материалы подложки печатных плат используются в высокотемпературных приложениях, где обычные печатные платы не могут выдерживать такие температуры.

Материалы, используемые в керамических печатных платах

Для изготовления керамических печатных плат используются различные керамические материалы, при этом важнейшими характеристиками, которые следует учитывать, являются теплопроводность и коэффициент теплового расширения (КТР). Примеры материалов подложки включают оксид алюминия или оксид алюминия (Al₂O₃), нитрид алюминия (AlN), бериллий или оксид бериллия (BeO), карбид кремния (SiC) и нитрид бора (BN).

Оксид алюминия (Al₂O₃)

Оксид алюминия, также известный как оксид алюминия, представляет собой неорганическое соединение алюминия и кислорода. Это отличный электрический изолятор с высоким удельным сопротивлением примерно 1 × 1014 Ом·см. Обладая превосходной термической и коррозионной стабильностью, механической и диэлектрической прочностью, а также способностью создавать герметичные уплотнения, оксид алюминия широко используется в электронике для подложек и корпусов, предлагая теплопроводность 25.0 Вт/(м·К) и КТР от 4.5 до 10.9 х 10-6/К.

Нитрид алюминия (AlN)

Нитрид алюминия представляет собой неоксидный полупроводниковый керамический материал технического класса с удельным электрическим сопротивлением от 10 до 12 · 10x Ом-м и теплопроводностью от 80 до 200 Вт/(м·К). Он имеет низкий коэффициент теплового расширения (КТР) от 4 до 6×10-6К1, что делает его пригодным для сильноточных и высокотемпературных сред.

Оксид бериллия (BeO)

Оксид бериллия, или бериллий, получают из берилла или минерала бромеллита. Он имеет высокую теплопроводность от 209 до 330 Вт/(м·К) и КТР от 7.4 до 8.9 x 10-6/К, что делает его идеальным для применений, требующих воздушного или жидкостного охлаждения при высоких температурах или печатные платы высокой плотности.

Преимущества и недостатки керамических печатных плат

Преимущества керамических печатных плат

Керамические печатные платы имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными печатными платами, в том числе:

1. Высокая теплопроводность: керамические печатные платы в диапазоне от 25 до 330 Вт/(м·К) эффективно рассеивают тепло, предотвращая повреждение от высоких температур.
2. Низкий коэффициент теплового расширения (КТР): благодаря твердым межатомным связям керамические печатные платы остаются стабильными и устойчивыми даже при изменении температуры.
3. Отличная теплоизоляция: тепло с меньшей вероятностью проходит через подложку, защищая компоненты от повреждений.
4. Неорганический материал: керамические печатные платы обеспечивают длительную химическую стойкость и долговечность.
5. Многослойность: позволяет выполнять сложные задачи и выполнять тяжелые работы.
6. Высокочастотные возможности: идеально подходят для приложений, требующих высокочастотной передачи данных и электрических сигналов.
7. Экономическая эффективность: несмотря на первоначальные затраты, керамические печатные платы обеспечивают улучшенную производительность и более длительный срок службы, снижая общие затраты на систему по сравнению с печатными платами с металлическим сердечником.

Недостатки керамических печатных плат

Хотя керамические печатные платы обладают многочисленными преимуществами, есть и некоторые потенциальные недостатки, которые следует учитывать:

1. Обращение: Керамические печатные платы могут быть хрупкими и требовать особого обращения во время сборки и тестирования.
2. Доступность: хотя в долгосрочной перспективе керамические печатные платы экономически эффективны, они изначально дороже традиционных печатных плат из-за специального производственного оборудования и материалов.

Типы керамических печатных плат

Керамические печатные платы производятся с использованием различных процессов, в результате чего различаются типы в зависимости от методов производства. Общие типы включают:

• Лазерная активация металлизации печатной платы (LAM PCB): используется высокоэнергетическое лазерное сверло для ионизации керамического вещества и металла, создавая связь или глубокую связь для более гладкой текстуры поверхности.
• Печатная плата из меди с прямой пластиной (DPC PCB): используется метод физического осаждения из паровой фазы (PVD) для соединения меди с подложками при высоких температурах и давлениях, с диапазоном толщины меди от 10 до 140 мкм.
• Медная печатная плата с прямым соединением (DBC PCB): вводит кислород между медью и керамикой до или во время осаждения, подходит для меди большой толщины от 140 до 350 мкм.
• Низкотемпературная керамическая печатная плата совместного сжигания (LTCC PCB). Сочетает керамическое вещество со стеклянным материалом для создания печатных плат с превосходными тепловыми и электрическими свойствами.
• Высокотемпературная керамическая печатная плата совместного обжига (HTCC PCB): изготовлена ​​с использованием необработанного керамического материала подложки без добавления стекла, обожжена при температуре 1600–1700 °C для использования в суровых условиях.
• Толстопленочная керамическая печатная плата: запекается при высоких температурах в атмосфере азота после покрытия керамической основы диэлектриком, золотом, серебром или медью, подходит для приложений, чувствительных к окислению.

Когда использовать керамические печатные платы

Керамические печатные платы идеально подходят для приложений, требующих высокой термостойкости, долговечности и надежности. Они подходят для использования в суровых условиях, в схемах с высокой плотностью мощности и в высокотемпературных приложениях, где традиционные печатные платы могут не выдержать таких условий. При принятии решения о том, являются ли керамические печатные платы правильным выбором, учитывайте требования к стоимости, весу и теплопроводности вашего проекта.

Превосходная теплопроводность керамических печатных плат делает их подходящими для применений, где рассеивание тепла имеет решающее значение. Кроме того, их высокая механическая прочность, устойчивость к химикатам и коррозии делают их пригодными для использования в сложных условиях. Однако керамические печатные платы, как правило, дороже и тяжелее традиционных печатных плат, поэтому важно сопоставить эти факторы с преимуществами, которые они предлагают для вашего конкретного применения.

Где найти керамические печатные платы

Керамические печатные платы доступны из различных источников, как онлайн, так и оффлайн. Такие компании, как Highleap Electronic, предлагают услуги по изготовлению керамических печатных плат на заказ, что позволяет клиентам адаптировать свои заказы к конкретным требованиям. В местных магазинах электроники также могут продаваться керамические печатные платы, хотя выбор может быть ограничен. Интернет-магазины, такие как AliExpress и Alibaba, часто предлагают для покупки широкий ассортимент керамических печатных плат.

При поиске керамических печатных плат крайне важно провести комплексную проверку, чтобы убедиться, что вы имеете дело с поставщиком с хорошей репутацией. Факторы, которые следует учитывать, включают репутацию поставщика, качество его продукции и его способность удовлетворить ваши конкретные требования. Кроме того, при принятии решения учитывайте такие факторы, как размер заказа, тип материала и стоимость доставки. Тщательно оценив эти факторы, вы сможете найти надежного поставщика для удовлетворения ваших потребностей в керамических печатных платах.

Заключение

Керамические печатные платы стали отраслевым стандартом для электрических компонентов благодаря своей долговечности, надежности и превосходным характеристикам по сравнению с традиционными печатными платами. Понимание материалов, типов, преимуществ и недостатков керамических печатных плат может помочь вам принять обоснованные решения об их использовании в ваших проектах. Если вам нужна высокая термостойкость, теплопроводность или долговечность, керамические печатные платы предлагают жизнеспособное решение для различных приложений в электронной промышленности.