普通PCB通常是由铜箔和基板粘合而成,而基板材质大多数为玻璃纤维(FR-4),酚醛树脂(FR-3)等材质,粘合剂通常是酚醛、环氧等。在PCB加工过程中由于热应力、化学因素、生产工艺不当等原因,或者是在设计过程中由于两面铺铜不对称,很容易导致PCB板发生不同程度的翘曲。
而另一种PCB基板——陶瓷PCB基板,由于散热性能、载流能力、绝缘性、热膨胀系数等,都要大大优于普通的玻璃纤维PCB板材,从而被广泛应用于大功率电力电子模块、航空航天、军工电子等产品上。
陶瓷PCB基板的主要材质
氧化铝(Al2O3)
氧化铝是陶瓷基板中最常用的基板材料,因为在机械、热、电性能上相对于大多数其他氧化物陶瓷,强度及化学稳定性高,且原料来源丰富,适用于各种各样的技术制造以及不同的形状。按含氧化铝(Al2O3)的百分数不同可分为:75瓷、96瓷、99.5瓷。氧化铝含有量不同,其电学性质几乎不受影响,但是其机械性能及热导率变化很大。纯度低的基板中玻璃相较多,表面粗糙度大。纯度越高的基板,越光洁、致密、介质损耗越低,但是价格也越高。
氧化铍(BeO)
具有比金属铝还高的热导率,应用于需要高热导的场合,温度超过300℃后迅速降低,但是由于其毒性限制了自身的发展。
氮化铝(AlN)
氮化铝陶瓷是以氮化铝粉体为主晶相的陶瓷。相比于氧化铝陶瓷基板,绝缘电阻、绝缘耐压更高,介电常数更低。其热导率是Al2O3的7~10倍,热膨胀系数(CTE)与硅片近似匹配,这对于大功率半导体芯片至关重要。在生产工艺上,AlN热导率受到残留氧杂质含量的影响很大,降低含氧量,可明显提高热导率。目前工艺生产水平的热导率达到170W/(m·K)以上已不成问题。
综合以上原因,可以知道,氧化铝陶瓷由于比较优越的综合性能,在微电子、功率电子、混合微电子、功率模块等领域还是处于主导地位的。
陶瓷PCB分类根据制造方法,电子市场上的陶瓷PCB主要分为三种类型:
高温陶瓷PCB
低温陶瓷PCB
厚膜陶瓷PCB
高温
如您所知,高温可能是最流行的陶瓷类型。一般来说,专为高温设计的陶瓷PCB通常被认为是高温共烧陶瓷(HTCC)电路,它由陶瓷原料与溶剂、混合粘合剂、增塑剂、润滑剂以及氧化铝组成。
首先用陶瓷原料制作,然后在材料上进行涂层,然后在钨或钼金属上进行电路跟踪。最后,如果实现了电路跟踪,它可以在层压后将电路板在 1600 到 1700 摄氏度之间烘烤长达 48 小时。所有 HTCC 烘烤都是在气体环境中进行的,例如氢气。
低温
与HTCC不同的是,低温共烧陶瓷PCB是由水晶玻璃与粘合基板在金属板上结合金浆制成的。然后将电路板切割并层压,然后放入大约 900 摄氏度的气态烘箱中。
更重要的是,低温共烧陶瓷 PCB 通过更少的翘曲和渐进的收缩容限而受益。也就是说,与HTCC等陶瓷PCB相比,陶瓷PCB具有更好的机械强度和导热性。所以在使用LED灯等散热产品时,LTCC的散热优势是有优势的。
厚膜陶瓷
厚膜陶瓷PCB,其导体层的厚度可能超过10微米,但不超过13微米。一般来说,导体层是在陶瓷PCB表面印刷银或金钯。也就是说,厚膜陶瓷PCB包括金和介电浆料,是在陶瓷基材上完成的,工作后在1000摄氏度或以下的温度下进行浆料和背衬。所以厚膜陶瓷PCB由于金导体浆料成本高,被大多数PCB制造商广泛使用。
厚膜陶瓷PCB相对于传统PCB的主要优点是厚膜陶瓷可以保护铜不被氧化。所以陶瓷PCB制造商可以在陶瓷板上放置可互换的导体、半导体、导体、电容器或电阻器。在完成印刷和高温烧结的过程后,板上的所有元件都可以被激光修整到他们想要的值。
陶瓷PCB有多少层存在混淆,但它是由陶瓷PCB的类型决定的。陶瓷PCB的最少层数为两层,但根据产品的特性,可能会增加一些层数。
陶瓷PCB的用途
√大功率电力电子模块,太阳能电池板组件等
√高频开关电源、固态继电器
√汽车电子、航空航天、军工电子产品
√大功率LED照明产品
百能云板陶瓷基板制程能力
百能云板陶瓷PCB产品能力
审核编辑 黄宇
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