2024 Wielowarstwowe ceramiczne płytki PCB: kompletny przewodnik produkcyjny Materiały, procesy i zastosowania przemysłowe

W erze wielkiej mocy,elektronika wysokiej częstotliwości ‒ od stacji bazowych 5G po układy napędowe pojazdów elektrycznych (EV) i systemy radarowe lotnicze ‒ wielowarstwowe płytki PCB z ceramiki (MLC PCB) wyróżniają się jako kluczowa technologia umożliwiającaW przeciwieństwie do tradycyjnych płyt FR4, które borykają się z rozpraszaniem ciepła i integralnością sygnału w ekstremalnych temperaturach, płyty MLC wykorzystują podłoże ceramiczne (np.azotanu aluminium) w celu zapewnienia lepszej przewodności cieplnejŚwiatowy rynek PCB MLC odzwierciedla to zapotrzebowanie: przewiduje się, że wzrośnie w tempie 9,91% CAGR do 2031 r., napędzany przez zastosowanie w branży motoryzacyjnej, lotniczej, kosmicznej,sektorów telekomunikacyjnych.

W niniejszym przewodniku przedstawiono kompleksowy podział produkcji MLC PCB od doboru materiału i stopniowej produkcji po kontrolę jakości i zastosowania w rzeczywistości.,Wykorzystane wgląd i najlepsze praktyki w branży, wyposaża inżynierów, nabywców i projektantów w zrozumienie i wykorzystanie tej wysokowydajnej technologii.

Kluczowe wnioski
a.Wyższość materiału wpływa na wydajność: podłoża ceramiczne z aluminium (20 ‰ 30 W/mK) i azotynu aluminium (170 ‰ 200 W/mK) przewyższają FR4 (0,2 ‰ 0,3 W/mK) pod względem przewodności cieplnej,umożliwiające PCB MLC obsługę w temperaturze 350°C+ w stosunku do. FR4 ≈ 130°C.
Dokładność produkcji nie jest przedmiotem negocjacji: PCB MLC wymagają 7 krytycznych etapów: przygotowania podłoża, układania warstw, poprzez wiercenie, metalizację, sintering, wykończenie,i testowanie – każde wymagające ściśle tolerancji (± 5 μm dla wyrównania warstw).
c.Kontrola jakości zapobiega kosztownym awariom: wczesne kontrole materiałów (inspekcja SEM) i badania w trakcie procesu (AOI, ciągłość elektryczna) zmniejszają wskaźniki wad do <0.1% dla zastosowań o wysokiej niezawodności (e(np. przemysł lotniczy).
d. Aplikacje obejmują branże o wysokim ryzyku: PCB MLC są niezbędne do radaru samochodowego (77 GHz), wysokiej mocy diod LED (100 000+ godzin życia) i komunikacji wojskowej (odporność na trudne warunki pogodowe).
e. Przyszły wzrost zależy od innowacji: miniaturyzacja (gęstsze warstwy) i zielona produkcja (niskoszczędne wytwarzanie) zwiększą wykorzystanie MLC PCB w IoT i EV.

Zrozumienie wielowarstwowych PCB ceramicznych (MLC PCB)
PCB MLC to zaawansowane płyty obwodne zbudowane poprzez układanie i wiązanie wielu warstw ceramicznych, z których każda jest wygrawerowana obwodami przewodzącymi (np. miedzią, srebrem).Ich unikalna struktura łączy w sobie efektywność cieplną ceramiki z gęstością konstrukcji wielowarstwowych, wypełniając lukę pozostawioną przez tradycyjne PCB w elektronikach o wysokiej wydajności.

Czym wyróżniają się PCB MLC?
W przeciwieństwie do płyt PCB FR4 (włókno szklane + epoksy) lub jednowarstwowych płyt PCB z ceramiki, płyty PCB MLC oferują:
a.Większa przewodność cieplna: Przesyła ciepło 100×600 razy szybciej niż FR4, zapobiegając przegrzaniu się części.
b.Większy zakres temperatur: niezawodna eksploatacja od -200°C (przestrzeni powietrznej) do 350°C (piece przemysłowe).
c.Mniejsza utrata dielektryczna: Utrzymanie integralności sygnału w częstotliwościach do 100 GHz (krytyczne dla fal 5G mmWave).
d. Gęstość kompaktowa: układa się 4 20 warstw ceramiki z mikrovia (50 100 μm średnicy) w celu dopasowania większej liczby obwodów w małych przestrzeniach.

Główne zalety w poszczególnych branżach
PCB MLC rozwiązują problemy specyficzne dla branży, których nie mogą rozwiązać tradycyjne PCB.

Wybór materiału do PCB MLC: Alumina vs. Azotyn aluminium
Wydajność PCB MLC zaczyna się od wyboru materiału podłoża. Dwie ceramiki dominują na rynku: alumina (Al2O3) i azotyn aluminium (AlN).Każda z nich ma unikalne właściwości dostosowane do konkretnych zastosowań.

Porównanie materiałów

Jak wybrać odpowiedni materiał ceramiczny
a.Wybrać Aluminę, jeżeli: Potrzebujesz opłacalnego rozwiązania do zastosowań o średnim temperaturze (np. sterowniki LED, czujniki samochodowe o niskiej mocy), w których przewodność cieplna wynosi 20-30 W/mK.
b.Wybrać azotanin aluminium, jeżeli: Projektujesz w przypadku scenariuszy o dużej mocy (np. napędów elektrycznych, radarów lotniczych), które wymagają maksymalnego rozpraszania ciepła (170-200 W/mK) i odporności na temperaturę.
c. Unikaj FR4, jeśli: Twoja aplikacja przekracza 130°C lub wymaga integralności sygnału powyżej 10 GHz.

Przygotowanie materiału: od proszku do preformy
Przed produkcją materiały ceramiczne poddawane są rygorystycznemu przygotowaniu w celu zapewnienia jednolitości i jakości:
1Przetwarzanie proszku: proszki aluminiowe/AlN są mielone do rozmiaru drobnych cząstek (1μ5μm) w celu zapewnienia gęstego spiekania w późniejszym czasie.
2Dodawanie wiązacza: Proszki mieszane są z wiązaczami organicznymi (np. poliwinyl butyral) i rozpuszczalnikami w celu utworzenia lepkiej “płuczki” do odlewania taśmy.
3Odlewanie taśmy: Ślizga jest rozprzestrzeniana na filmie nośnym (np. PET) za pomocą ostrza medycznego, tworząc cienkie, jednolite arkusze ceramiczne (50 ‰ 200 μm grubości). Arkusze są suszone w celu usuwania rozpuszczalników.
4.Punching/Cutting: suszone arkusze są cięte do pożądanego rozmiaru PCB (np. 100x150mm) i przebiane otworami do wyrównania w celu precyzyjnego układania.

Krok krytyczny: czystość proszku jest testowana za pomocą fluorescencji rentgenowskiej (XRF), aby zapewnić brak zanieczyszczeń, nawet 0,5% żelaza może zmniejszyć przewodność cieplną o 10%.

Krok po kroku proces produkcji PCB MLC
Produkcja PCB MLC to precyzyjnie sterowana sekwencja 7 etapów, z których każdy wymaga specjalistycznego sprzętu i ścisłej kontroli procesu.niepełne spiekanie) może uczynić płytę bezużyteczną.

1Przygotowanie podłoża: tworzenie jednolitych kart ceramicznych
Podstawą PCB MLC są wysokiej jakości arkusze ceramiczne.
a. Kontrola grubości: Mikrometr laserowy sprawdza grubość arkusza (tolerancja ± 2 μm) w celu zapewnienia spójnego układania warstwy.
b.Badanie gęstości: próbki losowe są pieczone w celu usunięcia wiązaczy i ważone w celu zweryfikowania stężenia proszku.
c.Oczyszczanie powierzchni: arkusze są wytrzymywane alkoholem izopropylowym w celu usunięcia pyłu, który może powodować szczeliny powietrza w późniejszych etapach.

2. Ładowanie warstw i laminowanie: wiązanie warstw ceramicznych
Zestawienie wyrównuje arkusze ceramiczne z przewodzącymi wzorami, tworząc wielowarstwową strukturę.

Kluczowe kroki w układzie:
a.Drukowanie na ekranie: Pasta przewodząca (miedź, srebro lub złoto) jest drukowana na arkuszach ceramicznych w celu tworzenia śladów obwodu, podkładek i przez podkładki.000 cP) w celu zapewnienia, jednolite linie.
b.Równanie: arkusze są układane przy użyciu systemów równań optycznych (dokładność ± 5 μm), które pasują do otworów równań wybuchanych wcześniej.
c. Laminat: Zestaw układany jest tłoczony w laminacji próżniowej w temperaturze 70-100°C i ciśnieniu 10-20 MPa. Próżnia usuwa szczeliny powietrza, podczas gdy ciepło zmiękcza wiążące warstwy wiązania.

Krytyczne czynniki laminacji:

3Za pośrednictwem wiercenia i metalizacji otworów: łączące warstwy
Przewody są maleńkimi otworami, które łączą obwody między warstwami.
a.Wykopywanie laserowe: lasery UV (355 nm) wiertną mikrowia (50 ‰ 100 μm średnicy) z dokładnością ± 5 μm. Metoda ta jest idealna do konstrukcji o wysokiej gęstości (np. moduły 5G).
b.Perforacja: Perforacje mechaniczne tworzą większe przewody (500 μm) dla tanich zastosowań (np. sterowników LED). Perforacja jest szybsza, ale mniej precyzyjna niż wiercenie laserowe.
Po wierceniu:
c. Odmazanie: za pomocą obróbki plazmowej usuwa się resztki wiążącego materiału z ścian w celu zapewnienia przyczepności metalu.
d. Metalizacja: przewody są wypełniane przewodzącą pastą (srebrem lub miedzią) lub pokryte miedzią bezelektrolyczną (gęstość 0,5 μm) w celu tworzenia dróg elektrycznych między warstwami.

4Metalizacja i ukształtowanie obwodów: tworzenie dróg przewodzących
W celu utworzenia funkcjonalnych obwodów dodaje się warstwy przewodzące.
a. Drukowanie ekranowe: najczęściej stosowana pasta przewodząca do PCB MLC jest drukowana na arkuszach ceramicznych w celu tworzenia śladów (szerokości 50-100 μm) i podkładek. Pasta jest suszona w temperaturze 120 °C w celu usunięcia rozpuszczalników.
b. Rozpylanie: w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości (np. radar), cienka warstwa miedzi (1 ‰ 5 μm) jest rozpylana na arkuszach ceramicznych za pomocą systemu próżniowego.Wykorzystanie rozpylania zapewnia lepszą przyczepność i integralność sygnału niż drukowanie seryjne, ale jest droższe.

Kontrola jakości: Automatyczny system kontroli optycznej (AOI) weryfikuje szerokość śladów, wyrównanie podkładek i pokrycie pastą.

5. Sintering: Gęstnienie struktury ceramicznej
Sintering to krok "make-or-break", który przekształca zestaw złożony z organicznych materiałów w gęste, ceramiczne PCB.
a. Usunięcie związków organicznych (faza spalania: 200-400°C).
b. Złóż cząstki ceramiczne w stałą, gęstą strukturę (faza sinterująca: 1600-1800 °C dla aluminu; 1700-1900 °C dla AlN).
c. Łączą przewodzące warstwy z podłożem ceramicznym.

Kluczowe wyniki sinteringu:

Krytyczna kontrola: piec z spiekaniem wykorzystuje zaprogramowaną rampę temperatury (5°C/min) w celu uniknięcia pękania. Szybkie ogrzewanie powoduje nierównomierne kurczenie.

6Wykończenie powierzchni: zwiększenie niezawodności i łatwości spawania
Po spiekaniu PCB MLC poddawane jest obróbce powierzchniowej w celu przygotowania go do montażu komponentów:
a.Płaskość: powierzchnie górne/dolne są mielone szlifującymi diamentami w celu uzyskania płaskości ±5 μm, która jest krytyczna dla umieszczenia części do montażu powierzchniowego (SMC).
b.Płaty powierzchniowe: na podkładki nakłada się cienką warstwę niklu (510 μm) i złota (0,10,5 μm) lub ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold). Poprawia to łatwość spawania i zapobiega utlenianiu.
c. Oznaczanie laserowe: laser włóknisty wytwarza numery części i kody partii na płytce PCB w celu ich identyfikowania.

Porównanie wykończenia powierzchniowego PCB MLC:

7Zgromadzenie i badanie końcowe: walidacja wydajności
Ostatni krok obejmuje montaż komponentów i weryfikację funkcjonalności PCB:
1.Umiejscowienie komponentów: SMC (np. rezystory, kondensatory, układy scalone) są umieszczane przy użyciu maszyn do wybierania i umieszczania (dokładność ± 10 μm).
2Lutowanie z powrotem: PCB jest podgrzewane w piecu z powrotem (temperatura szczytowa: 260 °C dla lutowania bez ołowiu) w celu stopienia pasty lutowej i składników wiązania.
3Mycie: czyszczenie wodne usuwa pozostałości strumienia, które mogą powodować korozję.
4Badanie funkcjonalne: PCB jest testowane pod kątem ciągłości elektrycznej, impedancji (± 1Ω dla projektów 50Ω) i integralności sygnału (za pomocą VNA dla płyt o wysokiej częstotliwości).
5Badania środowiskowe: w przypadku zastosowań o wysokiej niezawodności PCB poddawane są cyklowi termicznemu (od -40°C do +150°C, 1000 cykli) i testowi wibracji (10 ‰ 2000 Hz, przyspieszenie 10G) w celu zapewnienia trwałości.

Kontrola jakości: zapobieganie wadom w PCB MLC
PCB MLC są stosowane w aplikacjach o kluczowym znaczeniu dla bezpieczeństwa (np. EV BMS, radar lotniczy), więc kontrola jakości (QC) jest wbudowana w każdy krok produkcji.

1. surowiec QC: wczesne wykrywanie problemów
a.Czystość proszku: analiza XRF zapewnia, że zanieczyszczenia < 0,1% – nawet niewielkie ilości żelaza mogą zmniejszać przewodność cieplną.
b. Konsistencja wiążącego: spektroskopia podczerwieni o transformacji Fouriera (FTIR) weryfikuje skład wiążącego w celu zapobiegania problemom z kurczeniem w spiekaniu.
c. Jednolitość arkusza: Profilator laserowy sprawdza grubość arkusza ceramicznego (± 2 μm) i grubość powierzchni (Ra < 0,5 μm) w celu uniknięcia luk laminacyjnych.

2. QC w trakcie produkcji: powstrzymanie wad w połowie produkcji
a.Rozszerzenie warstw: systemy optycznego wyrównania (dokładność ± 5 μm) sprawdzają układy ułożone w stos ̇ błędne wyrównanie > 10 μm powoduje ponowne przetwarzanie.
b. Jakość przepustowa: inspekcja rentgenowska (rozstrzygnięcie 20 μm) sprawdza, że próżnia wypełniająca > 10% objętości przepustowej jest odrzucona.
c.Gęstość spiekania: Zasada Archimedes'a mierzy gęstość ceramiki <95% wartości teoretycznej wskazuje na niekompletne spiekanie.

3Ostateczne kryterium jakości: walidacja wydajności od końca do końca
a.Badania elektryczne: Badanie próbek sondy lotniczej sprawdza otwieranie/krótkości (100% pokrycia) i stabilność impedancji (±1Ω).
b.Próby termiczne: analizator błyskowy laserowy mierzy przewodność cieplną; wartości < 90% specyfikacji wskazują na wady.
c. Badania mechaniczne: Badania wytrzymałości zgięcia (według ASTM C1161) zapewniają, że PCB może wytrzymać obciążenie, gdy wytrzymałość < 300 MPa dla aluminu jest odrzucona.
d. Badanie niezawodności: Badanie przyspieszonego okresu trwania (ALT) symuluje 10 lat użytkowania (np. 1000 cykli termicznych) w celu przewidzenia długoterminowej wydajności.

Punkty danych: rygorystyczna kontrola jakości redukuje wskaźniki wad PCB MLC do <0,1% w zastosowaniach lotniczych.

Zastosowania MLC PCB i przyszłe trendy
PCB MLC są niezastąpione w przemyśle, w którym wydajność, niezawodność i odporność na temperaturę są nienegocjowalne.

Kluczowe zastosowania według przemysłu

Przyszłe trendy w kształtowaniu PCB MLC
1.Miniaturyzacja i wyższa gęstość:Popyt na mniejsze urządzenia IoT i moduły 5G napędza PCB MLC z ponad 20 warstwami i mikrovia <50μm ◄ umożliwiające zaawansowane wiercenie laserowe i cienkie arkusze ceramiczne (50μm).
2.Zielona produkcja: niskoenergetyczne zgrzewanie (wykorzystanie pieców mikrofalowych zamiast tradycyjnych pieców) zmniejsza zużycie energii o 40%.
3.Nowe materiały ceramiczne: pojawiają się ceramiki z węglem krzemu (SiC) i azotkiem borowym (BN). SiC oferuje przewodność cieplną 300 W/mK (lepszą niż AlN) dla pojazdów elektrycznych o bardzo wysokiej mocy.
4Wbudowane komponenty: pasywne komponenty (rezystory, kondensatory) są osadzone wewnątrz warstw ceramicznych w celu zaoszczędzenia miejsca. Idealne dla urządzeń noszonych i miniaturyzowanych urządzeń medycznych.

Często zadawane pytania dotyczące PCB MLC
1Dlaczego MLC PCB są droższe niż FR4 PCB?
MLC PCB kosztują 5 ‰ 10 razy więcej niż FR4 ze względu na:
a.Specjalizowane materiały (alumina/AlN kosztuje 10 razy więcej niż FR4).
b.produkcja precyzyjna (wiercenie laserowe, sintering próżniowy).
c. rygorystyczna kontrola jakości (światła rentgenowskie, badania termiczne).
Jednak ich dłuższa żywotność (10x w porównaniu z FR4) i niższe koszty utrzymania sprawiają, że są one opłacalne dla zastosowań o wysokiej niezawodności.

2Czy PCB MLC można dostosować do konkretnych zastosowań?
Tak, opcje dostosowania obejmują:
a.Wybór materiału (alumina dla kosztów, AlN dla wysokiego ciepła).
b. Liczba warstw (420 warstw).
c. Rozmiar przepustowy (50 ‰ 500 μm).
d. Wykończenie powierzchniowe (ENIG dla przemysłu lotniczego i kosmicznego, srebrne zanurzenie dla przemysłu motoryzacyjnego).
e. wbudowanie komponentów (w celu miniaturyzacji).

3Jaki jest typowy czas realizacji PCB MLC?
Czas realizacji zależy od stopnia złożoności:
a.Prototypy (1 ‰ 10 jednostek): 2 ‰ 4 tygodnie (w tym sinterujące i testowe).
b.Małe partie (100-500 sztuk): 4-6 tygodni.
c. Duże partii (1000+ jednostek): 6 ∼8 tygodni.
Czas przeprowadzenia jest dłuższy niż FR4 (1 ‰ 2 tygodni) ze względu na proces spiekania, który trwa 2 ‰ 3 dni.

Wniosek: PCB MLC
Wielowarstwowe płytki PCB z ceramiki to nie tylko "wysokiej wydajności" alternatywa dla tradycyjnych płytek PCB, ale są one niezbędne w najbardziej wymagających zastosowaniach elektronicznych.Ich unikalna kombinacja przewodzenia cieplnego, odporność na temperaturę i integralność sygnału umożliwiają innowacje w pojazdach elektrycznych, 5G, przestrzeni kosmicznej i urządzeniach medycznych, które nie były kiedyś możliwe.

Proces wytwarzania płytek MLC, począwszy od przygotowania materiału i układania warstw, a kończąc sinterując i QC, wymaga precyzji, specjalistycznego sprzętu i skupienia się na jakości.od kontroli czystości proszku po badania cyklu termicznego, jest zaprojektowany w celu zapewnienia niezawodności w środowiskach o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa.

Ponieważ przemysł elektroniczny ewoluuje w kierunku wyższej mocy, wyższej częstotliwości i mniejszych czynników kształtu, PCB MLC będą odgrywać jeszcze większą rolę.i nowe materiały ceramiczne poszerzą ich wykorzystanie w IoT, urządzenia do noszenia i ultra silne pojazdy elektryczne.

Dla inżynierów i nabywców, zrozumienie produkcji MLC PCB jest kluczem do wyboru odpowiedniej technologii dla ich projektów.Można wykorzystać MLC PCB do budowy elektroniki, która jest bezpieczniejsza.Przyszłość elektroniki o wysokiej wydajności to ceramika, a PCB MLC są wiodącymi.