Zalety, wady i zastosowania płytek drukowanych ceramicznych/płytek PCB ceramicznych

Ceramiczne płytki PCB , znane również jako podłoża ceramiczne, to płytki PCB wykonane z materiałów ceramicznych, takich jak tlenek glinu, azotek glinu, tlenek berylu i azotek krzemu, jako podłoża nośnego. Ceramiczne płytki PCB zasadniczo różnią się od typowych podłoży FR-4 i są bardziej podatne na zastosowanie w elektronice high-tech oraz przemyśle. Niniejszy artykuł zawiera kompleksowy przegląd ceramicznych płytek PCB.

1. Główne zalety

1) Doskonałe odprowadzanie ciepła: To najważniejsza zaleta ceramicznych płytek PCB. Przewodność cieplna materiałów ceramicznych (zwłaszcza azotku glinu, AlN) jest znacznie wyższa niż w przypadku innych tradycyjnych podłoży, co zapewnia szybkie odprowadzanie ciepła, obniża temperaturę roboczą niektórych komponentów oraz znacząco poprawia niezawodność i wydajność.

2) Dopasowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej do chipów: Wiele chipów półprzewodnikowych dużej mocy (takich jak GaN, SiC) wykorzystuje jako podłoże krzem lub węglik krzemu. Współczynnik rozszerzalności cieplnej ceramiki (zwłaszcza AlN) jest bardzo zbliżony do współczynnika tych materiałów. Podczas gwałtownych zmian temperatury może on zmniejszyć naprężenia między chipem a podłożem, zapobiec pękaniu połączeń lutowanych, wydłużyć żywotność produktu i zwiększyć odporność na cykle termiczne.

3) Doskonałe właściwości:

● Wysoka odporność izolacji i przebić wysokiego napięcia, nadaje się do zastosowań wysokonapięciowych.

● Niska stała dielektryczna i straty dielektryczne, co przekłada się na niskie straty transmisji sygnału i małe opóźnienie przy wysokich częstotliwościach (RF/mikrofale), stabilną pracę.

4) Wysoka wytrzymałość mechaniczna i stabilność: Materiały ceramiczne są twarde, gęste, odporne na zużycie, korozję i nieodkształcalne, zapewniają niezawodną stabilność w trudnych warunkach mechanicznych i chemicznych.

5) Wysoka hermetyczność: Ceramika sama w sobie jest hermetyczna i odporna na wilgoć, zapewniając doskonałą ochronę wewnętrznych obwodów i układów scalonych, nadaje się do hermetycznie zamkniętych obudów o wysokiej niezawodności.

6) Nadaje się do montażu o dużej gęstości: Dzięki procesom cienkowarstwowym i grubowarstwowym możliwe jest drukowanie bardzo małych obwodów na podłożach ceramicznych, co pozwala na uzyskanie połączeń o dużej gęstości.

2. Wady

1) Wysoki koszt: Koszt materiałów ceramicznych, sprzętu przetwórczego (takiego jak wiercenie laserowe i spiekanie w wysokiej temperaturze) oraz złożoność technologii procesu są znacznie wyższe niż w przypadku zwykłych płytek PCB, co przekłada się na bardzo wysoką cenę jednostkową.

2) Wysoka kruchość i łamliwość: Jest to nieodłączna cecha materiałów ceramicznych. Są one podatne na pękanie pod wpływem sił mechanicznych, zginania lub nierównomiernego naprężenia, dlatego należy zachować szczególną ostrożność podczas transportu i montażu.

3) Ograniczony rozmiar: Ze względu na proces spiekania, duże podłoża ceramiczne są bardziej podatne na odkształcenia i pęknięcia w procesie produkcyjnym, co sprawia, że ​​ich rozmiar jest mniejszy i trudniej jest je wyprodukować w większym rozmiarze, jak zwykłe płytki PCB.

4) Trudne do wytworzenia:

● Wiercenie: Ze względu na wysoką twardość ceramiki, otwory przelotowe zwykle muszą być wiercone laserowo, co jest kosztowne, powolne i obarczone większym ryzykiem wystąpienia defektów.

● Brak możliwości modyfikacji w procesie postprodukcji: Po spiekaniu obwody nie mogą być modyfikowane jak zwykłe płytki PCB.

3. Zastosowania (zastosowanie korzystnych cech) 

Płytki PCB ceramiczne stosowane są głównie w dziedzinach, w których obowiązują wysokie wymagania dotyczące wydajności, niezawodności i odprowadzania ciepła:

1) Elektronika dużej mocy i elektronika samochodowa:

● Moduły IGBT, urządzenia mocy SiC/GaN: falowniki napędowe do pojazdów elektrycznych, ładowarki sieciowe.

● Przemysłowe przetwornice częstotliwości, zasilacze UPS bezprzerwowe i moduły mocy w systemach przesyłu energii wysokiego napięcia (HVDC).

2) Diody LED o wysokiej jasności i oświetlenie półprzewodnikowe: Podłoża obudów diod LED, zwłaszcza obudów COB dużej mocy. Doskonałe odprowadzanie ciepła ma kluczowe znaczenie dla skuteczności świetlnej, żywotności i zaniku światła diod LED.

3) Opakowania RF/mikrofalowe i półprzewodnikowe:

● Wzmacniacze mocy RF w stacjach bazowych komunikacji 5G/6G, urządzeniach mikrofalowych i milimetrowych oraz antenach z układem fazowanym.

● Układy scalone mikrofalowe i sprzęt do komunikacji satelitarnej.

● Obudowy układów scalonych i podłoża dla modułów wieloprocesorowych.

4) Lotnictwo i wojsko: Systemy radarowe, systemy przeciwdziałania elektronicznego i systemy naprowadzania pocisków. Wymagają one odporności na ekstremalne zmiany temperatury, wysokie wibracje i silne wstrząsy.

5) Lasery i urządzenia optoelektroniczne: Radiatory i nośniki obwodów dla laserów półprzewodnikowych dużej mocy, zapewniające stabilną moc lasera.

6) Czujniki i elektronika wysokotemperaturowa: Czujniki ciśnienia wysokotemperaturowego, akcelerometry i inne urządzenia MEMS, ponieważ sama ceramika może wytrzymać działanie wysokich temperatur.

4. Porównanie różnych typów podłoży ceramicznych

Podsumowując

Ceramiczne płytki PCB są produkowane i dedykowane do spełniania specjalistycznych wymagań. Ich właściwości materiałowe gwarantują doskonałe odprowadzanie ciepła, stabilność i niezawodność, ale skomplikowany proces produkcji wiąże się również z wysokimi kosztami. Jako stabilne i niezawodne płytki PCB do urządzeń elektronicznych w ekstremalnych warunkach pracy i środowiskach, znacznie lepsze niż tradycyjne płytki PCB, stosowane w nowoczesnych, wysokowydajnych systemach elektronicznych, charakteryzujących się wyższą mocą, wyższą częstotliwością, mniejszymi rozmiarami i wysoką niezawodnością.

Firma Benlida specjalizuje się w produkcji płytek PCB od 14 lat. Koncentruje się na jakości, stale udoskonalając procesy i zapewniając obsługę zorientowaną na klienta, stawiając jakość na pierwszym miejscu. Jeśli potrzebujesz płytek PCB z ceramiki, skontaktuj się z Benlidą, aby dowiedzieć się więcej!