Les substrats céramique servent là où le stratifié est la pièce limitante de la conception : un module de puissance qui doit évacuer ses propres pertes, un driver laser ou RF qui commute assez vite pour chauffer sa carte, un capteur qui doit encore isoler après cent cycles thermiques. La céramique porte à la fois la chaleur et la tension que le FR-4 ne supporte pas, et Hitech Circuits fabrique ces substrats à Shenzhen à côté des lignes rigide, flex et cœur métallique.
Pourquoi de la céramique plutôt que du FR-4
- Chaleur — l'alumine conduit 20–51 W/m·K et le nitrure d'aluminium 120–220 W/m·K, contre environ 0,3 W/m·K pour le FR-4 : le substrat étale la chaleur autant qu'il porte le circuit.
- Tension — la rigidité diélectrique est de 15, 20 ou 28 kV/mm à 0,25, 0,63 et 1,0 mm d'épaisseur, ce qui permet à une pièce fine de tenir une tension de service élevée.
- Température — les pièces voient −55 à 850 °C, bien au-delà de la transition vitreuse de tout stratifié.
- Dilatation — 7,4 ppm/K entre 50 et 200 °C est proche de la dilatation du silicium et de la plupart des matériaux de boîtier, ce qui limite la contrainte dans les joints d'une grande puce.
- Stabilité — la céramique n'absorbe presque pas d'humidité : ses propriétés diélectriques survivent aux ambiances humides d'atelier et aux brasages répétés.
Procédés et matériaux
Les substrats à cuivre lié directement sont le choix habituel en puissance : une feuille de cuivre est liée à la céramique à haute température puis gravée, ce qui donne du cuivre épais sur une interface liée. Les substrats couche mince et couche épaisse servent lorsque les conducteurs et les résistances sont imprimés ou déposés et que la définition de ligne compte plus que le poids de cuivre ; leurs conducteurs sont en AgPd ou AuPd, alors que le DCB n'utilise que du cuivre.
L'alumine est le matériau standard, avec les grades 96 % et 98 % tenus en stock ; le nitrure d'aluminium se choisit quand la conductivité thermique décide de la conception, et l'oxyde de béryllium lorsqu'il faut la conductivité la plus élevée. Les épaisseurs courantes vont de 0,25 à 2,0 mm dans des dimensions jusqu'à 130 × 140 mm, les pièces plus épaisses et plus grandes étant fabriquées sur mesure, le plus grand panneau d'alumine produit mesurant 300 × 300 mm — les tableaux de dimensions sont sur la page capacités.
La céramique est-elle le bon substrat pour cette conception ?
La céramique justifie son prix là seulement où le substrat lui-même doit évacuer la chaleur à travers une couche isolante mince :
- Quand une carte à cœur métallique suffit — si les pertes rejoignent le boîtier par un plan de cuivre et une matrice de vias, un PCB à cœur métallique aluminium coûte moins cher, se fournit en panneaux plus grands et accepte des contours qu'une céramique cuite ne peut pas prendre.
- Quand le diélectrique est la limite — une puce nue isolée ou un réseau de résistances imprimées écartent à la fois le stratifié et l'empilement à cœur métallique, parce que c'est le polymère qui isole, pas le substrat.
- Quand la conductivité choisit la nuance — l'alumine est la référence : la moins chère à cuire et capable de porter des conducteurs couche mince comme couche épaisse. Le nitrure d'aluminium est retenu quand la puce ne peut pas être refroidie à travers l'alumine, et l'oxyde de béryllium reste réservé aux pièces où aucune des deux autres nuances ne tient.
- Quand le procédé choisit le cuivre — un motif qui transporte le courant a besoin du cuivre lié du DCB ; une pièce à résistances imprimées ou à définition de ligne plus fine qu'une feuille gravée relève de la couche mince ou épaisse.
Où sont utilisées les cartes céramique
Modules de puissance et empilements IGBT, moteurs LED haute luminosité et lasers, étages RF et micro-ondes, capteurs pour équipements médicaux qui doivent être stérilisables, et électronique de puissance automobile qui vit à côté de la source de chaleur. Lorsque le problème est la fréquence plutôt que la température, un PCB haute fréquence sur stratifié Rogers, Arlon, Taconic ou Nelco est généralement la réponse la moins chère ; la céramique devient nécessaire quand les deux exigences arrivent ensemble.
Où un substrat céramique lâche en service
Les pièces que l'on nous demande d'analyser lâchent à l'assemblage et au contour, pas dans le circuit :
- Fissures sur un point de fixation — la céramique n'a pas de limite d'élasticité : un bossage de vis ou une pince qui fléchit amorce une fissure au bord du trou ; tenez les trous de fixation hors de la zone sollicitée, prévoyez une rondelle et ne laissez jamais le substrat raidir le boîtier.
- Délamination à l'interface DCB — le cuivre et la céramique ne se dilatent pas au même rythme, si bien qu'une grande surface de cuivre d'un seul tenant se décolle par le bord après des cycles répétés ; découpez le cuivre en maille ou en segments au lieu de le garder entier pour la commodité du tracé.
- Cheminement le long d'une arête coupée — le traçage laser et la séparation mécanique laissent le conducteur plus près du bord que ne le montre le film ; réservez une bande d'exclusion sur le contour et placez le motif à l'intérieur.
- Microfissures venues du contour — un angle rentrant vif concentre la contrainte de chaque cycle thermique ; arrondissez les angles sur le plan et faites suivre le rayon à la séparation, pas à la fraise.
Obtenir un devis
Envoyez le jeu de Gerber ou DXF avec le matériau céramique, le procédé, l'épaisseur de cuivre, la dimension de la pièce et la quantité. Comme le conducteur d'une pièce couche mince ou couche épaisse est déposé plutôt que gravé, les fichiers et les tolérances sont revus en DFM avant fixation du devis ; les certificats délivrés sont sur la page des certifications.
Le service d'assemblage céramique — SMT et traversant sur substrats alumine, AlN et BeO — est chiffré avec la fabrication sur la page assemblage PCB, les cartes produites en Chine étant couvertes par la page assemblage PCB en Chine.
