Керамические подложки применяются там, где ламинат — ограничивающая часть конструкции: силовой модуль, который должен рассеивать собственные потери, драйвер лазера или РЧ, переключающийся настолько быстро, что греет свою плату, датчик, который должен сохранять изоляцию после сотни термоциклов. Керамика несёт и тепло, и напряжение, которые FR-4 не выдерживает, и Hitech Circuits делает такие подложки в Шэньчжэне рядом с жёсткой, гибкой и металлической линиями.
Зачем керамика вместо FR-4
- Тепло — оксид алюминия даёт 20–51 W/m·K, нитрид алюминия 120–220 W/m·K против примерно 0,3 W/m·K у FR-4, поэтому подложка рассеивает тепло так же, как несёт схему.
- Напряжение — пробивная прочность 15, 20 или 28 kV/мм при толщине 0,25, 0,63 и 1,0 мм позволяет тонкому изделию держать высокое рабочее напряжение.
- Температура — детали видят от −55 до 850 °C, что далеко за пределами температуры стеклования любого ламината.
- Расширение — 7,4 ppm/K в диапазоне 50–200 °C близко к расширению кремния и большинства материалов корпусов, что снижает напряжение в соединениях на крупном кристалле.
- Стабильность — керамика почти не поглощает влагу, поэтому её диэлектрические свойства выживают во влажных условиях производства и при повторных пайках.
Процессы и материалы
Подложки с прямым соединением меди (DCB) — обычный выбор для силовой электроники: медная фольга соединяется с керамикой при высокой температуре и затем травится, что даёт толстую медь на связанном интерфейсе. Тонкоплёночные и толстоплёночные подложки применяются там, где проводники и резисторы печатаются или напыляются и где чёткость линии важнее веса меди; их проводники — AgPd или AuPd, тогда как DCB использует только медь.
Оксид алюминия — стандартный материал, марки 96 % и 98 % держатся на складе; нитрид алюминия выбирается, когда конструкцию определяет теплопроводность, а оксид бериллия — когда нужна максимальная проводимость. Складские толщины идут от 0,25 до 2,0 мм при размерах до 130 × 140 мм, более толстые и крупные изделия делаются под заказ, а максимальная выпускаемая панель оксида алюминия — 300 × 300 мм; таблицы размеров приведены на странице возможностей.
Подходит ли керамика для этой конструкции?
Керамика оправдывает свою цену только там, где сама подложка должна отводить тепло через тонкий изолирующий слой:
- Когда достаточно платы на металлическом основании — если потери уходят в корпус через медную зону и матрицу переходных отверстий, алюминиевая плата на металлическом основании дешевле, поставляется панелями большего размера и принимает контуры, которых обожжённая керамика не держит.
- Когда предел задаёт диэлектрик — изолированный кристалл или сеть печатных резисторов исключают и ламинат, и набор на металлическом основании, потому что там изолирует полимер, а не подложка.
- Когда проводимость определяет марку — оксид алюминия остаётся стандартом: дешевле в обжиге и принимает проводники тонких и толстых плёнок. Нитрид алюминия назначают, когда кристалл нельзя охладить через оксид алюминия, а оксид бериллия оставляют для изделий, где не выдерживает ни одна из двух других марок.
- Когда процесс определяет медь — рисунку, который несёт ток, нужна соединённая медь DCB; изделие с печатными резисторами или с более тонкой линией, чем травимая фольга, относится к тонкой или толстой плёнке.
Где применяются керамические платы
Силовые модули и сборки IGBT, сверхъяркие светодиоды и лазерные излучатели, РЧ- и СВЧ-каскады, датчики для медицинского оборудования, которые должны выдерживать стерилизацию, и силовая электроника для автомобилей, работающая рядом с источником тепла. Там где проблемой является частота, а не температура, более дешёвым ответом обычно оказывается высокочастотная плата на ламинате Rogers, Arlon, Taconic или Nelco; керамика становится необходимой, когда оба требования приходят вместе.
Где керамическая подложка отказывает в работе
Изделия, которые нам приносят на разбор, отказывают на монтаже и по контуру, а не в самой схеме:
- Трещины в точке крепления — у керамики нет текучести, поэтому бобышка под винт или пружинящий зажим даёт начало трещине у края отверстия; держите крепёжные отверстия вне нагруженной зоны, задавайте шайбу и никогда не позволяйте подложке работать элементом жёсткости корпуса.
- Расслоение по границе DCB — медь и керамика расширяются по-разному, поэтому сплошная крупная медная зона отслаивается от края после повторных циклов; разбивайте медь на сетку или на участки, а не держите её целой ради удобства трассировки.
- Путь утечки по кромке реза — лазерная скрайбировка и механическое разделение оставляют проводник ближе к кромке, чем показано на фотошаблоне; предусмотрите на контуре запретную зону и размещайте рисунок внутри неё.
- Микротрещины от контура — внутренний острый угол собирает напряжение каждого термоцикла; скругляйте углы на чертеже и ведите разделение по радиусу, а не по фрезе.
Как получить смету
Отправьте комплект Gerber или DXF с керамическим материалом, процессом, толщиной меди, размером изделия и количеством. Поскольку проводник тонкоплёночного или толстоплёночного изделия напыляется, а не травится, фотошаблоны и допуски проверяются в DFM до фиксации сметы; выданные сертификаты приведены на странице сертификатов.
Монтаж керамических плат — SMT и выводной монтаж на подложках из оксида алюминия, AlN и BeO — считается вместе с изготовлением на странице монтаж печатных плат, а платы, сделанные в Китае, описаны на странице монтаж печатных плат в Китае.
