Tillverkning av kretskort med keramisk bas och SMT-monteringstjänster

A keramisk baskretskort använder aluminiumoxid (Al₂O₃), aluminiumnitrid (AlN) eller kiselnitrid (Si₃N₄) som både mekanisk bas och elektrisk isolator — inget dielektriskt lager mellan kopparkretsen och monteringsytan. Värmemotståndet varierar från 0.3 °C/W (AlN DBC) till 0.8 °C/W (aluminiumoxid DBC), jämfört med 3 °C/W för aluminium MCPCB och 15 °C/W för FR4.

Den här guiden fokuserar på vad som kommer efter materialval: integration av termisk stack, substrattjocklek, ytfinish, fellägen, montering och specifikationsskrivning.

1) Keramisk baskretskort i termisk stack

Det keramiska substratet är inte en fristående termisk lösning. Det är ett lager i en stapel som löper från enhetens övergångspunkt till kylvätskan – och lagren ovanför och under det påverkar direkt systemets termiska motstånd.

En 50 µm silikon TIM-platta vid 3 W/m·K adderar 0.5–1.0 °C/W ovanpå ett 0.3 °C/W AlN DBC-kort, vilket nästan fördubblar den totala impedansen. I många system återställer en övergångstemperatur mer vid en uppgradering från silikon TIM till ett fasövergångsmaterial än vid en uppgradering från aluminiumoxid till AlN.

Tre specifikationsbeslut som påverkar hela stacken:

• Bottenkopparbeläggning: Heltäckande bottenkoppar minimerar spridningsmotståndet vid gränssnittet mellan keramik och TIM. Delvis täckning skapar termiska döda zoner oavsett substratmaterial.
• Bottenkopparens planhet: ≤25 µm TIR möjliggör tunn, högkonduktiv TIM (fasövergångslödning, silversinter). Denna enda specifikation kan ändra TIM-konduktiviteten från 3 W/m·K till 150+ W/m·K.
• Substrattjocklek: Tunnare minskar vertikalt ledningsmotstånd men minskar även sidledsspridning. För komponenter med stora chips är tunnare alltid bättre. För små chips på stora substrat, modellera innan du bestämmer dig.

2) Val av substrattjocklek

Tjocklek styr två saker samtidigt: värmebeständighet (tunnare = bättre) och mekanisk robusthet (tjockare = starkare). Standardvärdet 0.635 mm är rätt för de flesta tillämpningar – men inte alla.

En begränsning åsidosätter termisk optimering: isoleringsspänningen. Vid en dielektrisk hållfasthet på 17 kV/mm ger ett 0.635 mm aluminiumoxidsubstrat en arbetsisolering på cirka 10 kV. Tillämpningar som kräver >10 kV kan inte använda tunnare substrat oavsett den termiska budgeten.

3) Alternativ för ytbehandling

Ytfinish avgör lödbarhet, trådbindningsbarhet och hållbarhet. Den måste specificeras för topp- och bottenytor oberoende av varandra – och måste matcha hela monteringssekvensen, inte bara den första operationen.

När både ytmontering och trådbindning krävs på samma kort, specificera hårdguld för alla plattor. Zonell ytbehandling (ENIG på ytmonteringsplattor, hårdguld på bondplattor) kostar mer i processkomplexitet än vad guldbesparingarna motiverar.

4) Fältfellägen

Fel på kretskort med keramisk bas är mekaniska och gränssnittsrelaterade – inte kemiska eller fuktrelaterade som FR4. Alla tre större fellägen kan förhindras genom konstruktionsförebyggande.

Monteringsinducerad sprickbildning är det vanligaste fältfelet. Montering av bara skruvar utan metallbussningar applicerar punktbelastningar som aluminiumoxid (brottseghet 3–4 MPa·m½) inte kan klara av. Åtgärd: lödda eller epoxibundna metallbussningar vid alla skruvpositioner; momentgräns 0.3–0.5 N·m för M3-genomgående aluminiumbussningar i 0.635 mm aluminiumoxid. Självhäftande fastsättning på kallplattan eliminerar monteringspunktbelastningar helt.

DBC-delaminering under termisk cykling uppstår när bindningskvaliteten är marginell eller koppargeometrin skapar spänningskoncentrationer. Stora isolerade kopparöar med tvära kanter utgör en högre risk. Åtgärd: undvik kopparfläcksförhållanden >5:1; specificera minsta bindningsskalningshållfasthet ≥20 N/cm²; kräv termisk chocktestning enligt JEDEC JESD22-A104 vid kvalificering av den första artikeln.

Kantflisning och sprickutbredning börjar med hanteringsskador — en mikrospricka som uppstår under singulation eller ett tappat kort. Sprickan är osynlig vid inspektion men fortplantar sig till en öppen krets under termisk cykling. Åtgärd: avfasade hörn (radie ≥0.3 mm); ≥0.5 mm koppar-till-kant-spel; fluorescerande sprickdetektering för partier med hög tillförlitlighet.

Lödutmattning vid lödning påverkar kiselbrickor lödda till aluminiumoxid — CTE-missmatchning på ~3.5 ppm/°C skapar skjuvspänning som utmattar SAC305-fogar inom 1 000–3 000 termiska cykler i fordonsindustrin. Åtgärd: använd AlN-substrat för GaN/SiC-komponenter (CTE-missmatchning ~1.1 ppm/°C); specificera silversintring för die-attach i fordonsindustrin — sintrat silver överlever 10 000+ cykler vid ΔT = 150°C; kräver ≤5 % porfraktion enligt röntgen.

5) Montering och integration

Standard FR4-monteringsparametrar kommer att skada keramiska substrat. Skillnaderna är inte valfria justeringar – de förhindrar sprickbildning och fogfel som är svåra att diagnostisera i efterhand.

Omflödesprofil: Minska ramphastigheten till 1–2 °C/s (jämfört med 3 °C/s för FR4). Förläng blötläggningszonen vid 150–180 °C till 90–120 sekunder för att utjämna temperaturen över keramiken innan återflödet påbörjas. Topptemperaturen och tiden över liquidus förblir oförändrade.

Alternativ för gänginfästning efter tillförlitlighetskrav:

• SAC305 lödning: Standard för icke-fordonsrelaterade tillämpningar; ≤10 % porfraktion enligt röntgen; lämplig för <3 000 cykler vid ΔT ≤ 100 °C
• AuSn / AuGe eutektik: Hermetiska förpackningar och högtemperaturapplikationer; kräver guldbehandlade dynor; högre fogstyvhet än silversinter
• Silversintring: Bäst för fordons- och flygindustrin; 150–250 W/m·K fogledningsförmåga; ingen risk för omsmältning vid efterföljande operationer; kräver bar koppar- eller Ag-finish på gängade plattor

Elektrisk sammankoppling — presspassningskontakter kan inte användas på keramik. Standardalternativ: lödda stiftlister; kantkontakter med fjäderkontakter; band-/flexkabelbindning; direkt ytmontering på systemkretskort (behandla keramikmodulen som en komponent, utforma termisk platta och lödvolym för keramisk massa och CTE).

Kallplattans infästning, lägsta till högsta termiska motstånd: lödning/lödning → silversintring → fasomvandlings-TIM med klämma → termiskt fett med skruvklämma.

6) Hur man skriver en fullständig specifikation

Ofullständiga specifikationer är den främsta orsaken till offertförseningar och fel på den första artikeln – inte tillverkningsförmågan. En offertförfrågan för ett keramiskt kretskort kräver dessa 12 parametrar, alla:

1. Substratmaterial och renhet — Al2O3 96%, Al2O3 99.6%, AlN eller Si3N4
2. Substrattjocklek ± tolerans — t.ex. 0.635 mm ± 0.05 mm
3. Metalliseringsprocess — DBC, tjockfilm, tunnfilm eller AMB
4. Koppartjocklek, topp och botten — specificeras oberoende; t.ex. 0.3 mm / 0.3 mm för DBC
5. Ytbehandling, topp och botten — oftast utelämnad; bottenytan måste matcha fastsättningsmetoden för kallplattan
6. Kortdimensioner och toleranser — inkludera hörnfasning eller radie om det behövs
7. Minsta spårbredd och avstånd — bekräfta mot tillverkarens kapacitet innan layouten slutförs
8. Via-krav — diameter, fyllnadsmaterial, ytbehandling
9. Krav för elektriska provningar — kontinuitets-/isoleringsspänning; hi-pot-spänning om så krävs; näst vanligast utelämnat fält
10. Kvalifikationskrav — termisk cykelintervall och cykler; bindningsstyrka; tillämplig standard (AEC-Q101, IEC 60068-2-14, MIL-PRF-38534)
11. Kvantitetsfördelning — prototyp och produktion kan ske på olika linjer med olika prissättning och ledtider
12. Lageruppbyggnad (flerlagersdesigner) — keramisk och ledarskiktsekvens; via fyllning och lock för LTCC eller sambränd

7) Relaterade produkter

• DBC-substrat: Den vanligaste keramiska kretskortskonstruktionen för kraftelektronik — koppar bunden till keramik vid ~1 065 °C. När ingenjörer säger "keramisk kretskort" för kraftmoduler menar de vanligtvis ett mönstrat DBC-substrat.
• Tjockfilms keramisk PCB: Screentryckta ledare (5–20 µm) brända vid 850–1 000 °C. Lägre kostnad än DBC för tillämpningar med medelhög ström; möjliggör integrerade motstånd och kondensatorer i den keramiska basen.
• AMB-substrat: Aktiv metalllödning använder Ag-Cu-Ti-lödning vid 800–900 °C. Starkare koppar-keramikbindning än DBC; föredras för Si₃N₄-baserade substrat och fordonsmoduler som kräver en termisk livslängd på över 10 000.
• LTCC: Flerskiktskeramik med inbäddade ledare och vior, sambränd vid 850–900 °C. Används för RF-moduler och flerchipskapslingar där den keramiska basen är den tredimensionella sammankopplingsstrukturen, inte bara ett termiskt substrat.
• IMS / Metallkärnkretskort: Kostnadseffektivt alternativ när den keramiska värmebalansen inte krävs. Värmemotstånd 3–5 gånger högre än aluminiumoxid DBC. Rätt val när tillämpningens värmebalans tillåter det.
• Keramisk baskretskortsmontering: Matrisanslutning, trådbindning och högtemperatur-omsmältning tillsammans med substrattillverkning minskar hanteringsrisken och säkerställer processkompatibilitet.

Vanliga frågor om partihandel med mat och dryck

Vad är skillnaden mellan ett keramiskt bas-PCB och ett DBC-substrat?

DBC (Direct Bonded Copper) är en metalliseringsmetod – kopparfolie bunden till keramik vid ~1 065 °C. Alla DBC-substrat är keramiska kretskort, men keramiska kretskort inkluderar även tjockfilms- och tunnfilmskonstruktioner. Inom kraftelektronik används de två termerna ofta omväxlande; i RF-tillämpningar är tunnfilm på keramisk bas vanligare än DBC.

Kan ett keramiskt kretskort direkt ersätta ett metallkärnigt kretskort?

Inte utan omdesign. Keramik kräver metallbussningar vid monteringshål, långsammare återflödesramphastigheter (1–2 °C/s), inga presspassningskopplingar och olika singuleringsregler. Den termiska vinsten är verklig – 0.3–0.8 °C/W jämfört med 3 °C/W för aluminium MCPCB – men bytet kräver explicita ändringar av monterings-, sammankopplings- och monteringsprocessen.

Vilken ytbehandling behövs för både SMT och trådbindning?

Hårt guld (3–5 µm Ni / 0.5–2.0 µm Au elektropläterad) krävs. ENIG:s ~0.05 µm guldlager är för tunt för trådbindning och orsakar bindningsfel. Specificera hårdguld över alla plattor när både ytmontering och trådbindning ingår i monteringssekvensen.

Varför spricker kretskort med keramisk bas efter att ha godkänts för inkommande inspektion?

De flesta sprickbildningar efter inspektion kommer från monteringsprocessen, inte från substratdefekter: bara skruvmontering, överåtdragna fästelement eller ojämna kalla plattytor. Subkritiska mikrosprickor från singulation – osynliga vid standardinspektion – sprider sig också till öppna kretsar under termisk cykling. Fluorescerande sprickdetektering vid inkommande och metallbussningsmontering förhindrar båda fellägena.

Vad är ledtiden för prototyper av kretskort med keramisk bas?

Aluminiumoxid DBC: 2–4 veckor. AlN DBC: 3–5 veckor. Tjockfilm: 3–4 veckor. Tunnfilm: 4–6 veckor. Anpassade dimensioner lägger till 1–2 veckor. Att tillhandahålla alla 12 specifikationsparametrar vid offertförfrågan eliminerar den vanligaste förseningskällan.

Är keramisk bas-PCB samma sak som högtemperatur-PCB?

Nej. Högtemperatur-PCB täcker keramiska, PTFE/glas-, polyimid- och metallkärnsubstrat – alla kort som är klassade över FR4:s gräns på 130–150 °C. Keramisk bas är den högst presterande kategorin: driftstemperaturer över 300 °C, värmeledningsförmåga 60–600 gånger högre än polymerdielektrika. PTFE är högtemperaturbeständigt men erbjuder ingen fördel vad gäller värmeledningsförmåga.

Offerera din keramiska baskretskort