Занурення в керамічні друковані плати: типи та характеристики матеріалів

Керамічні друковані плати, також відомі як пристрої з керамічною гібридною схемою, стали промисловим стандартом для електричних компонентів. Ця технологія, яка спочатку використовувалася в керамічних конденсаторах, зараз використовується в різних сферах застосування завдяки властивостям керамічних матеріалів, що робить їх довговічними, надійними та чудовою альтернативою традиційним електричним компонентам. У цій статті розглядаються матеріали, типи, переваги та недоліки керамічних друкованих плат, а також надається уявлення про їх виробництво та джерела.

Що таке керамічна друкована плата?

Керамічна друкована плата — це тип друкованої плати, виготовлений із основи або підкладки з керамічного матеріалу, зазвичай неорганічного діелектрика, замість традиційної основи зі скловолокна або епоксидної смоли. Він складається з тонкого ізоляційного шару керамічного матеріалу з металевим компонентом.

Основні компоненти керамічних друкованих плат

Інтегральні схеми стали високоінтегрованими, завдяки сучасним технологіям і електроніці, що містять сотні чи тисячі транзисторів і резисторів у складній збірці, побудованій на невеликому кремнієвому чіпі або інтегральній схемі (ІС). Для цих інтегральних схем потрібна основа або підкладка, на якій будуються крихітні електронні матеріали та з’єднання, а також структура, яка ізолює схему від зовнішнього оточення, перетворюючи її на компактний і міцний блок, відомий як пакет. Підкладки та упаковки є важливими для підтримки надійності інтегральних схем, забезпечення ізоляції та захисту.

Керамічні матеріали відомі своїми ізоляційними властивостями, що робить їх ідеальними для підкладок і корпусів інтегральних схем. Їх чудова теплопровідність і газонепроникність роблять їх придатними для застосування в силовій електроніці, гібридній мікроелектроніці, упаковці електроніки та багатокристальних модулях, особливо в таких галузях, як авіаційно-космічний і автомобільної промисловості, які вимагають конструкції ланцюгів з високою щільністю потужності в суворих умовах. Керамічні матеріали для підкладки друкованих плат використовуються в умовах високої температури, де звичайні друковані плати не витримують температур.

Матеріали, що використовуються в керамічних друкованих платах

Для виготовлення керамічних друкованих плат використовуються різні керамічні матеріали, причому теплопровідність і коефіцієнт теплового розширення (КТР) є критичними характеристиками, які слід враховувати. Приклади матеріалів підкладки включають оксид алюмінію або оксид алюмінію (Al₂O₃), нітрид алюмінію (AlN), оксид берилію або оксид берилію (BeO), карбід кремнію (SiC) і нітрид бору (BN).

Оксид алюмінію (Al₂O₃)

Оксид алюмінію, також відомий як оксид алюмінію, є неорганічною сполукою, що складається з алюмінію та кисню. Це чудовий електроізолятор з високим питомим електричним опором приблизно 1 × 1014 Ом·см. Завдяки видатній термічній і корозійній стійкості, механічній і діелектричній міцності, а також здатності створювати герметичні ущільнення, оксид алюмінію широко використовується в електроніці для підкладок і упаковок, пропонуючи теплопровідність 25.0 Вт/(м·К) і КТР від 4.5 до 10.9 х 10-6/K.

Нітрид алюмінію (AlN)

Нітрид алюмінію — це неоксидний напівпровідниковий технічний керамічний матеріал із питомим електричним опором від 10 до 12 10 Ом·м і теплопровідністю від 80 до 200 Вт/(м·К). Він має низький коефіцієнт теплового розширення (КТР) від 4 до 6×10-6K1, що робить його придатним для сильного струму та високотемпературного середовища.

Оксид берилію (BeO)

Оксид берилію, або берилій, отримують з берилу або мінералу бромеліту. Він має високу теплопровідність від 209 до 330 Вт/(м·K) і КТР від 7.4 до 8.9 x 10-6/K, що робить його ідеальним для застосувань, які вимагають повітряного або рідинного охолодження при високій температурі або друковані плати високої щільності.

Переваги та недоліки керамічних друкованих плат

Переваги керамічних друкованих плат

Керамічні друковані плати мають кілька переваг перед традиційними друкованими платами, зокрема:

1. Висока теплопровідність: керамічні друковані плати в діапазоні від 25 до 330 Вт/(м·К) ефективно розсіюють тепло, запобігаючи пошкодженню від високих температур.
2. Низький коефіцієнт теплового розширення (CTE): Завдяки твердим міжатомним зв’язкам керамічні друковані плати залишаються стабільними навіть за змін температури.
3. Відмінна теплоізоляція: тепло менше проходить через підкладку, захищаючи компоненти від пошкодження.
4. Неорганічний матеріал: керамічні друковані плати забезпечують тривалу хімічну стійкість і довговічність.
5. Багатошаровість: дозволяє виконувати складні завдання та важкі програми.
6. Високочастотна здатність: ідеально підходить для додатків, які потребують високочастотних даних і передачі електричних сигналів.
7. Економічна ефективність: незважаючи на початкові витрати, керамічні друковані плати пропонують покращену продуктивність і довший термін служби, знижуючи загальні витрати на систему порівняно з друкованими платами з металевим сердечником.

Недоліки керамічних друкованих плат

Хоча керамічні друковані плати мають численні переваги, є деякі потенційні недоліки, які слід враховувати:

1. Поводження: Керамічні друковані плати можуть бути делікатними та вимагати спеціального поводження під час збирання та тестування.
2. Доступність: незважаючи на економічну ефективність у довгостроковій перспективі, керамічні друковані плати спочатку дорожчі за традиційні друковані плати через спеціальне виробниче обладнання та матеріали.

Типи керамічних друкованих плат

Керамічні друковані плати виготовляються за допомогою різних процесів, що призводить до різних типів на основі методів виробництва. Поширені типи включають:

• Лазерна активаційна металізована плата (LAM PCB): використовує високоенергетичне лазерне свердло для іонізації керамічної речовини та металу, створюючи зв’язок або глибокий зв’язок для більш гладкої текстури поверхні.
• Direct Plate Copper PCB (DPC PCB): використовує метод фізичного осадження з парової фази (PVD) для з’єднання міді з підкладками при високих температурах і тиску з діапазоном товщини міді від 10 мкм до 140 мкм.
• Прямий зв’язок мідної друкованої плати (DBC PCB): вводить кисень між міддю та керамікою до або під час осадження, підходить для міді з великою товщиною від 140 мкм до 350 мкм.
• Низькотемпературна керамічна друкована плата зі спільним спалюванням (LTCC PCB): поєднує керамічну речовину зі скляним матеріалом для створення друкованої плати з чудовими тепловими та електричними властивостями.
• Високотемпературна керамічна друкована плата зі спільним спалюванням (HTCC PCB): виготовлена ​​з необробленого керамічного матеріалу без додавання скла, випечена при температурах 1600–1700 °C для використання в суворих умовах.
• Товста плівкова керамічна друкована плата: випікається при високих температурах в атмосфері азоту після покриття керамічної основи діелектриком, золотом, сріблом або міддю, підходить для чутливих до окислення додатків.

Коли використовувати керамічні друковані плати

Керамічні друковані плати ідеально підходять для застосувань, що вимагають високої термостійкості, довговічності та надійності. Вони підходять для використання в суворих середовищах, схемах з високою щільністю потужності та високотемпературних додатках, де традиційні друковані плати можуть не витримати умов. Вирішуючи, чи є керамічні друковані плати правильним вибором, враховуйте вимоги до вартості, ваги та теплопровідності вашого проекту.

Відмінна теплопровідність керамічних друкованих плат робить їх придатними для застосувань, де розсіювання тепла є критичним. Крім того, висока механічна міцність і стійкість до хімічних речовин і корозії роблять їх придатними для використання в складних умовах. Однак керамічні друковані плати, як правило, дорожчі та важчі за традиційні друковані плати, тому важливо зважити ці фактори та переваги, які вони пропонують для конкретного застосування.

Де знайти керамічні друковані плати

Керамічні друковані плати доступні з різних джерел, як онлайн, так і офлайн. Такі компанії, як Highleap Electronic, пропонують індивідуальні послуги з виготовлення керамічних друкованих плат, що дозволяє клієнтам адаптувати свої замовлення до конкретних вимог. У місцевих магазинах електроніки також можуть бути керамічні друковані плати, хоча вибір може бути обмеженим. Інтернет-магазини, такі як AliExpress і Alibaba, часто пропонують широкий вибір керамічних друкованих плат.

Під час закупівлі керамічних друкованих плат вкрай важливо провести належну обачність, щоб переконатися, що ви маєте справу з постачальником із повагою. Фактори, які слід враховувати, включають досвід роботи постачальника, якість його продукції та його здатність задовольнити ваші конкретні вимоги. Крім того, приймаючи рішення, враховуйте такі фактори, як розмір замовлення, тип матеріалу та вартість доставки. Ретельно оцінивши ці фактори, ви зможете знайти надійного постачальника для своїх потреб у керамічних друкованих платах.

Висновок

Керамічні друковані плати стали галузевим стандартом для електричних компонентів завдяки своїй довговічності, надійності та чудовій продуктивності порівняно з традиційними друкованими платами. Розуміння матеріалів, типів, переваг і недоліків керамічних друкованих плат може допомогти вам прийняти обґрунтовані рішення щодо їх використання у ваших проектах. Незалежно від того, чи потрібна вам висока термостійкість, теплопровідність або довговічність, керамічні друковані плати пропонують життєздатне рішення для різних застосувань в електронній промисловості.