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隨著表面貼裝技術(shù)(SMT)成為電子行業(yè)的支柱，印刷電路板PCB)正在從傳統(tǒng)的有機(jī)層壓板作為基板材料轉(zhuǎn)向具有極高可靠性、密度和精度的材料。這一要求來(lái)自于使電子產(chǎn)品變得更薄、更小，并且比以前具有更多功能的需要。

PCB陶瓷作為一種新型電路材料，受到業(yè)界的高度關(guān)注。除了非常有效地為現(xiàn)代電子產(chǎn)品的小型化提供解決方案外，陶瓷PCB還具有許多出色的功能特性，使其適用于許多領(lǐng)域，包括LED照明、半導(dǎo)體冷卻器、高功率半導(dǎo)體模塊、功率控制電路、電子加熱器、智能功率器件、功率混合電路、高頻開關(guān)電源、汽車電子、固態(tài)繼電器、軍工電子、航空航天、通信等。

為什么 PCB 使用陶瓷技術(shù)?

與普通材料制成的電路板相比，陶瓷技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。一些主要優(yōu)點(diǎn)是:

?高導(dǎo)熱率——芯部金屬含量96-98%

?熱膨脹系數(shù)低——可靠性更高

?高表面硬度——更高的耐用性和更長(zhǎng)的使用壽命

?高抗壓強(qiáng)度

?高介電強(qiáng)度

?承受更高溫度的能力

?高擊穿電壓

?不吸水

?高頻下?lián)p耗低

?抗宇畝射線

?不含有機(jī)成分

?高密度裝配，線/間距分辨率為 20 um

圖1: 金屬芯PCB和陶瓷PCB的區(qū)別

陶瓷 PCB 的高導(dǎo)熱性是工業(yè)界更喜歡使用它們的主要原因。FR-4 PCB 通常需要散熱孔、內(nèi)層金屬平面、散熱平臺(tái)以及風(fēng)扇等主動(dòng)冷卻設(shè)備，以將熱量從熱部件中帶走。陶瓷 PCB 不需要任何這些元件，除非在極端情況下，因?yàn)?PCB 可以輕松地將熱量傳輸?shù)街鲃?dòng)冷卻元件、熱著陸或設(shè)備封裝。

雖然導(dǎo)熱材料通常也是良好的電導(dǎo)體，但陶瓷材料不同，它們的電導(dǎo)率足夠低，制造商可以將其用作 PCB 基板。此外，制造商還使用摻雜來(lái)調(diào)整陶瓷板的導(dǎo)電率。

低熱膨脹系數(shù)和高表面硬度的其他優(yōu)點(diǎn)增加了陶瓷材料的吸引力。盡管陶瓷 PCB 比傳統(tǒng)材料制成的電路板更昂貴，但陶瓷 PCB 帶來(lái)的好處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了額外費(fèi)用。大多數(shù)行業(yè)更出于必要而更喜歡使用這些昂貴的陶瓷板。

陶瓷PCB技術(shù)

陶瓷 PC8主要使用金屬芯。不存在單一類型的陶瓷材料。該術(shù)語(yǔ)是指具有相似物理性質(zhì)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的一類材料氮化鋁板提供最高的導(dǎo)熱率，但材料昂責(zé)。氧化鋁板更便宜，但導(dǎo)熱系數(shù)較低。然而，與常規(guī)金屬芯印刷電路板相比，陶瓷 PCB 的熱性能明顯更好，因?yàn)樗鼈儾恍枰竞碗娐纷呔€之間的電絕緣層。

制造商還為淘瓷 PCB 的金屬基底提供其他洗擇，例如氮化研、氧化被和碳化硅，盡管許多制造商提供銅或金，但銀是每層連接走線的常用材料。制造商使用逐層絲網(wǎng)印刷工藝來(lái)放置金屬元件或基材。

陶瓷和金屬箔之間的結(jié)合力高，表面平整度高。制造商使用中或小功率 F CO2 激光器以高精度、高速度和高效率鉆通孔，利用光刻技術(shù)將電路圖案轉(zhuǎn)移到金屋箔上后，制造商在圖案上預(yù)鍍一層鉛錫抗蝕劑，并通過化學(xué)蝕刻掉未保護(hù)的部分以形成電路。去除錫鉛層需要用硝酸溶液清洗。

打印和堆疊陶瓷層后，制造商在烤箱中燒制整個(gè)堆棧，烘烤陶瓷板的燒制溫度通常低于 1000C。較低的燒制溫度與金屬跡線的燒結(jié)溫度相匹配，這使得低溫烘烤工藝適合在陶瓷 PCB 上使用金/銀作為金屬跡線。

與傳統(tǒng)電路板不同，陶瓷 PCB 不采用 OSP、HASL 或任何其他傳統(tǒng)表面處理。然而，如果存在銀腐蝕的可能性，則可以在外露焊盤上鍍金。

陶瓷 PCB 的類型

制造商提供三種基本類型的陶瓷板:

厚膜——這些板的導(dǎo)體層厚度超過 10 微米，由銀或金制成。厚膜陶瓷 PCB 制造商可以通過印刷和高溫?zé)Y(jié)將電容器、電陽(yáng)器導(dǎo)體和半導(dǎo)體放置在板上。激光微調(diào)可實(shí)現(xiàn)不同的電阻值。

薄膜——這些板的導(dǎo)體厚度小于 10 微米。薄膜陶瓷 PCB 適用于要求高精度、穩(wěn)定性和性能的電路。微波電路廣泛使用薄膜陶瓷PCB。

DCB或直接銅粘合——這些板采用特殊技術(shù)，在高溫高壓下將銅結(jié)粘合在金屬芯的一側(cè)或兩側(cè)。DCB技術(shù)具有良好的導(dǎo)熱性、高機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的電隔離性、耐腐蝕性、良好的附著力、高可靠性以及出色的熱循環(huán)能力。可以像蝕刻普通 FR4 PCB 一樣蝕刻 DCB陶瓷板。

多層陶瓷PCB

與普通 PCB 一樣，可以制造單層、雙層和多層陶瓷 PCB。在多層陶瓷 PCB 中，高導(dǎo)熱率可防止內(nèi)部電路層和表面形成熱點(diǎn)，因?yàn)樘沾刹牧嫌兄谠谡麄€(gè)電路板上均勻傳輸熱量。

由于 FR-4 和銅之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，多層 FR-4 板中的通孔在熱循環(huán)過程中容易斷裂。設(shè)計(jì)人員必須特別注意防止通孔故障。

陶瓷電路板的熱膨脹系數(shù)與其導(dǎo)體跡線的值接近。這減少了熱循環(huán)期間這些結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力。電路板的高導(dǎo)熱性還有助于確保熱膨脹更加均勻，從而防止任何通孔受到大的應(yīng)力。

圖2：多層陶瓷板

制造多層陶瓷板的烘烤和燒結(jié)工藝也可用于將無(wú)源元件直接集成到板的內(nèi)層中。與 FR-4 板不同，設(shè)計(jì)人員可以增加陶瓷 PCB 內(nèi)層的元件和連接密度。

結(jié)論

需要高頻或高速電路板且必須能夠承受惡劣環(huán)境的行業(yè)可以從陶瓷 PCB 的使用中受益。從 FR-4 改用陶瓷PCB 有利于重型工業(yè)設(shè)備和航空航天工業(yè)，大大提高了可靠性。盡管主要缺點(diǎn)是成本，但額外的花費(fèi)是值得的。

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