PCB à substrat céramique :un guide complet

Généralement, il y a une révolution technologique entraînant le rejet des CEM-3 et FR-4 traditionnels en raison d'une mauvaise conductivité thermique. À leur place, nous avons constaté une demande du marché pour des cartes de circuits imprimés hautement intégrés avec des systèmes de dissipation acoustique (haute résistance à la chaleur dans un environnement extérieur). L'article d'aujourd'hui donne un aperçu rapide du PCB à substrat céramique.

Qu'est-ce que le substrat céramique ?

Un substrat en céramique est un PCB de processus unique avec une conductivité thermique de 9-20W/m.k fabriqué à des températures élevées inférieures à 250°C. Les fabricants préparent le substrat en liant directement la feuille de cuivre au nitrure d'aluminium (AIN) ou à l'alumine (Al₂ O₃ ) surfaces.

Ses performances électriques et thermiques le rendent meilleur que la plupart des PCB à noyau métallique de l'industrie des PCB.

Placage cuivre sur aluminium

Avantages du PCB à substrat céramique

Le circuit imprimé à substrat en céramique présente plusieurs avantages, ce qui le rend idéal pour plusieurs produits tels que ;

Avantages matériels

• Étant donné que la couche de cuivre n'a pas de formation de couche d'oxyde, vous pouvez l'utiliser durablement dans une atmosphère réductrice.
• Deuxièmement, il a une forte résistance à l'érosion chimique et des emballages polyvalents/hermétiques qui empêchent l'absorption d'eau.
• Troisièmement, il a une grande fiabilité dans l'aérospatiale, résiste aux rayons cosmiques et ne contient pas d'ingrédients organiques.
• Ensuite, vous pouvez réaliser un assemblage haute densité avec une faible résistance thermique.
• En outre, il a une faible perte de haute fréquence et une bonne performance d'isolation électrique, donc capable de résister à l'environnement extérieur difficile.
• En plus d'utiliser une température élevée lors de sa soudure, un substrat céramique a une bonne soudabilité.
• De plus, vous pouvez l'utiliser en toute sécurité à des températures allant jusqu'à 350 °C.
• Il s'agit d'un film métallique à résistance électrique plus faible et plus forte (PCB en céramique d'alumine).
• En outre, les circuits imprimés en céramique sont économiques et idéaux pour les applications intensives.
• Enfin, il a un coefficient de dilatation thermique plus adapté et une conductivité thermique plus élevée.

Avantages techniques

Les technologies LAM et DPC remplacent progressivement les cartes traditionnelles comme les technologies DBC et LTCC pour de nombreuses raisons.

• Par exemple, la technologie de perçage au laser offre une grande valeur d'application car elle est précise, rapide et efficace.
• Ensuite, il existe de bonnes propriétés électriques et une force de liaison élevée entre la couche de circuit céramique et métallique.
• Il existe également une connexion traversante qui offre aux clients une solution de produit personnalisée.

Trou traversant sur une carte de circuit électronique

Quels sont les types de substrats céramiques ?

Selon le matériau

 Al ₂ O ₃

Notre premier substrat est de loin le plus couramment utilisé dans l'industrie électronique. Les raisons de sa popularité sont ses propriétés électriques, thermiques et mécaniques qui la rendent chimiquement stable et de haute résistance par rapport aux autres céramiques oxydes. Al₂ O₃ est également riche en matières premières.

Structure d'oxyde d'aluminium

Candidatures ; Le produit céramique est idéal pour fabriquer plusieurs formes différentes.

AlN (plaque céramique en nitrure d'aluminium)

La carte de circuit imprimé à base de céramique AlN présente deux caractéristiques importantes à connaître ;

• Coefficient de dilatation correspondant à Si.
• Haute conductivité thermique.

Cependant, il a des inconvénients comme être plus cher que Al₂ O₃ et même une fine couche superficielle d'oxyde affectant sa conductivité thermique. Heureusement, vous pouvez contrôler le processus et les matériaux lors de la fabrication du substrat AlN pour obtenir un produit avec une bonne consistance. De plus, les progrès technologiques pourraient bientôt prendre en compte le prix des panneaux de nitrure d'aluminium.

Candidatures ; Substrats pour matériaux électroniques (boîtiers) et dissipateurs thermiques pour transférer la chaleur des points chauds.

 BeO

Comparé à l'aluminium métallique, BeO a une conductivité thermique plus élevée et convient aux applications nécessitant une conductivité thermique élevée.

N'oubliez pas non plus qu'il est parfois toxique et, par conséquent, peu développé.

Conclusion ; Les céramiques d'alumine, comme nous l'avons vu, ont des propriétés et des performances globales supérieures qui les rendent encore dominantes dans divers domaines. Vous les trouverez par exemple dans les modules de puissance, la microélectronique hybride et l'électronique de puissance.

Ils offrent une résistance mécanique élevée, une stabilité chimique, de bonnes propriétés diélectriques et des propriétés thermiques.

Selon le processus de fabrication

Microélectronique céramique cocuite

Circuit PCB céramique haute température/Céramique multicouche cocuite haute température (HTCC)

Ce type de PCB peut résister à des températures élevées (supérieures à 1300 degrés Celsius). Le processus de fabrication unique consiste à créer de nouvelles céramiques en combinant lubrifiant, oxyde d'aluminium, adhésif, plastifiant et solvant.

Ensuite, les fabricants enduisent la nouvelle céramique et appliquent un motif de circuit sur les métaux précieux de tungstène, de manganèse ou de molybdène. Ils cuisent les circuits imprimés pendant environ 48 heures à des températures allant de 1300 à 1700°C après laminage dans un environnement gazeux avec de l'hydrogène gazeux.

Cependant, en raison des températures de co-cuisson élevées, il manque de nombreux matériaux conducteurs métalliques.

Circuit PCB céramique basse température/Céramique cocuite basse température (LTCC) 

Les fabricants utilisent des matériaux en verre cristal et des substances adhésives (liant organique) pour créer des PCB en céramique à basse température. Ils appliquent les deux matériaux sur une feuille de métal recouverte de pâte d'or. Ensuite, ils découpent et laminent la carte avant de placer le PCB dans un four gazeux à 900°C.

Avantages

• Il a moins de déformation et un meilleur rétrécissement que le HTCC.
• De plus, il a une intensité mécanique et une conductivité thermique plus élevées que les autres types de substrats.

Candidatures ; Produits sans chaleur comme les lumières LED.

PCB en céramique à couche épaisse

Dans un procédé à couche épaisse, les fabricants enduisent de l'or et des pâtes diélectriques sur un matériau de base en céramique. Ensuite, ils cuisent le matériau à 1000 ° C ou à une température de fonctionnement inférieure. Ils préfèrent une céramique à couche épaisse en raison de sa capacité à empêcher l'oxydation du cuivre.

Ainsi, les fabricants peuvent utiliser des composants électroniques tels que des résistances, des condensateurs électriques, des conducteurs, des semi-conducteurs et des conducteurs interchangeables sur la carte céramique.

Technologie des couches épaisses

Souvent, c'est un choix préféré lorsqu'on s'inquiète de l'oxydation. De plus, la couche conductrice de la carte PCB en céramique à film épais ne doit pas être plus épaisse que 13 microns.

• DBC (cuivre à liaison directe)

La technologie utilise une solution eutectique de cuivre contenant de l'oxygène pour placer le cuivre métallique directement sur le circuit imprimé en céramique. Souvent, son principe de base consiste à introduire une quantité requise d'O₂ entre la céramique et le cuivre pendant ou après un processus de dépôt. Les deux matériaux forment un liquide eutectique Cu-O dans des plages thermiques comprises entre 1065 et 1083°C.

• DPC (Direct Plate Copper)/ Substrat cuivré

L'option de matériau céramique subit souvent le processus ci-dessous ;

Les fabricants commencent par prétraiter et nettoyer le substrat céramique. Ensuite, ils utilisent une méthode de revêtement sous vide de technologie de fabrication de film professionnelle pour pulvériser et coller une couche composite de cuivre métallique sur le substrat.

Ensuite, la photorésistance avec lithographie en lumière jaune subit une réexposition, un développement et une gravure. Enfin, le processus d'élimination du film est terminé, et maintenant les fabricants augmentent l'épaisseur du circuit par dépôt de placage autocatalytique/galvanoplastique.

Le retrait de la résine photosensible complète le circuit de métallisation.

• LAM (métallisation par activation laser)

La technologie laser rapide ionise la méta et la céramique à l'aide d'un faisceau laser à haute énergie. Ensuite, il laisse les deux composants se développer ensemble, améliorant leur fermeté pendant le processus de métallisation.

Application de PCB en céramique

En raison de ses caractéristiques telles qu'une conductivité thermique élevée, une faible constante diélectrique, etc., les PCB en céramique sont dans les applications répertoriées ci-dessous ;

• Rue, haute luminosité,
• Équipement de traitement des semi-conducteurs 
• Conception de télécommunications,
• Capteur,

(différents types de capteurs)

• Cellule solaire,
• Système d'éclairage automobile,
• LED,

(Ampoule LED)

• PCB numérique et analogique,
• Module d'émission/réception,
• Panneaux solaires,
• Relais statiques (SSR),
• Oscillateur d'horloge haute précision, OCXO, TCXO, VCXO,
• Circuits haute puissance,
• Module de puce embarquée, et 
• Module de mémoire.

PCB en céramique VS FR4

Nous allons maintenant comparer les matériaux céramiques multicouches et FR4 sur la base de plusieurs critères ci-dessous.

Conclusion

En conclusion, les circuits imprimés en céramique sont efficaces dans plusieurs industries, comme l'industrie électronique en fonction de vos besoins de fabrication et de vos conceptions. Ils offrent également des caractéristiques de qualité telles que l'efficacité thermique, une bonne conductivité électrique et une résistance mécanique.

Veuillez nous contacter si vous souhaitez en savoir plus sur les matériaux de substrat céramique.