Výhody, nevýhody a použití keramických desek plošných spojů/keramických desek plošných spojů

Keramické desky plošných spojů , známé také jako keramické substráty, jsou desky plošných spojů vyrobené z keramických materiálů, jako je oxid hlinitý, nitrid hliníku, oxid berylia a nitrid křemíku, jako nosného substrátu. Keramické desky plošných spojů se zásadně liší od běžných substrátů FR-4 a jsou náchylnější k použití ve špičkové elektronice a průmyslových odvětvích. Tento článek poskytuje komplexní přehled keramických desek plošných spojů.

1. Hlavní výhody

1) Vynikající odvod tepla: Toto je nejdůležitější výhoda keramických desek plošných spojů. Tepelná vodivost keramických materiálů (zejména nitridu hliníku, AlN) je mnohem vyšší než u jiných tradičních substrátů, což umožňuje rychlý odvod tepla, snižuje provozní teplotu některých součástek a výrazně zlepšuje spolehlivost a výkon.

2) Přizpůsobení koeficientu tepelné roztažnosti čipům: Mnoho vysoce výkonných polovodičových čipů (jako je GaN, SiC) používá jako substrát křemík nebo karbid křemíku. Koeficient tepelné roztažnosti keramiky (zejména AlN) je těmto materiálům velmi blízký. Během drastických teplotních změn může snížit napětí mezi čipem a substrátem, zabránit praskání pájených spojů, zlepšit životnost produktu a odolnost vůči tepelným cyklům.

3) Vynikající vlastnosti:

● Vysoká odolnost proti izolaci a průrazu vysokým napětím, vhodné pro aplikace s vysokým napětím.

● Nízká dielektrická konstanta a dielektrické ztráty, což má za následek nízké ztráty přenosu signálu a nízké zpoždění při vysokých frekvencích (RF/mikrovlnné trouby), stabilní výkon.

4) Vysoká mechanická pevnost a stabilita: Keramické materiály jsou tvrdé, husté, odolné proti opotřebení, korozi a nedeformovatelné, poskytují spolehlivou stabilitu v náročném mechanickém a chemickém prostředí.

5) Vysoká hermetičnost: Keramika sama o sobě je vzduchotěsná a odolná vůči vlhkosti, což poskytuje vynikající ochranu vnitřních obvodů a čipů, je vhodná pro hermeticky uzavřené obaly se spolehlivostí.

6) Vhodné pro montáž s vysokou hustotou: Pomocí tenkovrstvých nebo tlustovrstvých procesů lze na keramické substráty tisknout velmi malé obvody, čímž se dosáhne propojení s vysokou hustotou.

2. Nevýhody

1) Vysoké náklady: Náklady na keramické materiály, procesní zařízení (jako je laserové vrtání a vysokoteplotní spékání) a složitost procesní technologie jsou mnohem vyšší než u běžných desek plošných spojů, což má za následek velmi vysokou jednotkovou cenu.

2) Vysoká křehkost a lomnost: Toto je inherentní vlastnost keramických materiálů. Jsou náchylné k praskání při mechanickém tlaku, ohýbání nebo nerovnoměrném namáhání, proto je nutné při přepravě a montáži dbát velké opatrnosti.

3) Omezená velikost: Vzhledem k procesu spékání jsou velké keramické substráty náchylnější k deformaci a praskání během výrobního procesu, proto je jejich velikost menší a obtížnější je vyrábět ve větších rozměrech, jako jsou běžné desky plošných spojů.

4) Obtížná výroba:

● Vrtání: Vzhledem k vysoké tvrdosti keramiky se průchozí otvory obvykle musí vrtat laserem, což je nákladné, pomalé a s vyšší mírou vad.

● Nemožné úpravy po zpracování: Po slinutí nelze obvody upravovat jako běžné desky plošných spojů.

3. Aplikace (uplatnění výhodných vlastností) 

Keramické desky plošných spojů se používají hlavně v oblastech s vysokými požadavky na výkon, spolehlivost a odvod tepla:

1) Vysokovýkonná elektronika a automobilová elektronika:

● IGBT moduly, výkonová zařízení SiC/GaN: elektrické měniče pro vozidla s novými zdroji energie, nabíječky.

● Průmyslové frekvenční měniče, nepřerušitelné zdroje napájení (UPS) a výkonové moduly pro přenos vysokého napětí (HVDC).

2) Vysoce svítivé LED diody a polovodičové osvětlení: Substráty pro pouzdra LED diod, zejména vysoce výkonné COB pouzdra. Vynikající odvod tepla je klíčový pro světelný výkon, životnost a úbytek světla LED diod.

3) Obaly pro RF/mikrovlnné a polovodičové systémy:

● VF výkonové zesilovače v základnových stanicích komunikace 5G/6G, mikrovlnných a milimetrových vlnových zařízeních a fázovaných anténních soustavách.

● Mikrovlnné integrované obvody a zařízení pro satelitní komunikaci.

● Balení čipů a substráty pro vícečipové moduly.

4) Letectví a armáda: Radarové systémy, elektronická protiopatření a systémy navádění raket. Ty vyžadují odolnost vůči extrémním změnám teplot, vysokým vibracím a silným nárazům.

5) Lasery a optoelektronická zařízení: Chladiče a nosiče obvodů pro vysoce výkonné polovodičové lasery, zajišťující stabilní laserový výstup.

6) Senzory a vysokoteplotní elektronika: Vysokoteplotní tlakové senzory, akcelerometry a další MEMS zařízení, protože samotná keramika odolává prostředím s vysokými teplotami.

4. Porovnání různých typů keramických substrátů

Stručně řečeno

Keramické desky plošných spojů (PCB) jsou vyráběny a určeny pro splnění specifických požadavků. Jejich materiálové vlastnosti určují jejich vynikající odvod tepla, stabilitu a spolehlivost, ale složitý výrobní proces má také za následek vysoké náklady. Jsou stabilní a spolehlivé desky plošných spojů pro elektronická zařízení v extrémních provozních podmínkách a prostředích, které jsou mnohem lepší než tradiční desky plošných spojů, a proto se používají v moderních vysoce výkonných elektronických systémech, kde vyžadují vyšší výkon, vyšší frekvenci, menší rozměry a velkou spolehlivost.

Společnost Benlida se specializuje na výrobu desek plošných spojů již 14 let, zaměřuje se na kvalitu, neustále vylepšuje procesy a poskytuje zákaznicky orientované služby, přičemž kvalitu klade nade vše. Pokud potřebujete keramické desky plošných spojů, kontaktujte prosím Benlidu a dozvíte se více!