Wielowarstwowe płytki PCB — substrat ceramiczny a FR4

U większości z nas słowo „ceramika” wywołuje wspomnienia zajęć plastycznych w szkole średniej lub ponadpodstawowej, gdy z dumą tworzyliśmy koślawą filiżankę do kawy dla naszych rodziców. Gdy przeskoczymy szybko do naszych inżynierskich czasów, materiały ceramiczne odgrywają krytyczną rolę w powszechnie spotykanych podzespołach elektronicznych. Projekt ceramicznej płytki PCB z kondensatorami to obwód, który warto znać. 

Branże potrzebujące płytek o dużej szybkości/wysokiej częstotliwości, które mogą wytrzymać eksploatację w trudnych warunkach, dostrzegą korzyści płynące ze stosowania ceramicznych płytek PCB. Przemysł lotniczy i ciężki mogą osiągnąć olbrzymie korzyści, zamieniając płytki PCB z substratem FR4 na ceramiczne. Główną wadą są koszty, które mogą być bardzo znaczące przy produkcji seryjnej na dużą skalę.

Substrat ceramiczny a FR4

Płytki ceramiczne zapewniają pewne szczególne zalety względem płytek FR4, które można wykorzystać w określonych zastosowaniach. Nie istnieje tylko jeden materiał ceramiczny: ten termin odnosi się do klasy materiałów, które mają podobną strukturę chemiczną i właściwości fizyczne. Typowe substraty ceramiczne stosowane w płytkach drukowanych to tlenek aluminium, azotek aluminium i tlenek berylu. Substraty takie jak węglik krzemu i azotek boru to dwa inne materiały ceramiczne o podobnych właściwościach.

Ogromną różnicą między FR4 a materiałami ceramicznymi jest przewodność cieplna. FR4 ma straszliwie niską przewodność cieplną w porównaniu do typowych materiałów ceramicznych stosowanych w obwodach drukowanych. Przewodność cieplna tlenku aluminium jest mniej więcej 20 razy większa niż FR4. Azotek aluminium i węglik krzemu wykazują 100-krotnie większą przewodność cieplną, a w przypadku tlenku berylu jest ona jeszcze większa. Przewodność cieplna azotku boru jest niedościgniona.

Płytki PCB z substratem FR4, które mają wysokie wymagania cieplne, często kompensują niską przewodność cieplną poprzez użycie metalowych struktur do transferu ciepła. Do odprowadzania ciepła z warstw stosuje się przelotki cieplne, płaszczyzny metalu w warstwach wewnętrznych, aktywne elementy chłodzące, takie jak wentylatory, a także pomosty cieplne. Płytki ceramiczne nie potrzebują takich elementów poza ekstremalnymi przypadkami, a ciepło można z łatwością odprowadzać do pomostów cieplnych, aktywnych elementów chłodzących lub obudów urządzeń.

Osoby obeznane z chemią i fizyką mogą wiedzieć, że materiały przewodzące ciepło zwykle są dobrymi przewodnikami elektrycznymi. Jednak materiały ceramiczne jakoś przeciwstawiają się tej zasadzie, co oznacza, że ich przewodność elektryczna jest wciąż na tyle niska, że płytki z tego materiału mogą stanowić substraty dla PCB. Przewodność elektryczną płytek ceramicznych można również dostosować za pomocą domieszkowania; jest to taki sam proces jak przy regulacji rezystancji rezystorów ceramicznych.

_{Do radzenia sobie z wymogami termicznymi płytki PCB trzeba więcej niż tylko kostek lodu}

Wielowarstwowe płytki ceramiczne

Płytki ceramiczne często zapewniają inne korzyści niż te, które są szczególnie przydatne w płytkach wielowarstwowych. Wysoka przewodność cieplna pomaga zapobiegać tworzeniu się gorących miejsc na powierzchni i wewnętrznych warstwach obwodu, ponieważ transfer ciepła jest bardziej równomierny na całej płytce. Dla kontrastu substrat FR4 wymaga metalowych struktur albo aktywnego chłodzenia, żeby odprowadzać ciepło z określonych miejsc na płytce lub spomiędzy warstw, a gorące miejsca łatwiej się tworzą na takim substracie.

W płytkach wielowarstwowych wykorzystuje się przelotki, aby uzyskać dostęp do wewnętrznych warstw obwodu, a płytki FR4 są podatne na pęknięcia w trakcie cyklów cieplnych. Ryzyko powstania pęknięć wynika z różnic między współczynnikami rozszerzalności miedzi i FR4. Cykle termiczne tych płytek powodują naprężenia wzdłuż przelotek oraz połączeń doczołowych na przelotkach w padach. Te miejsca są podatne na pęknięcia i projektanci muszą to wziąć pod uwagę, aby zapobiegać awariom.

Współczynniki rozszerzalności cieplnej płytek ceramicznych są bliskie wartościom właściwym dla struktur ich przewodników, co wpływa na zmniejszenie naprężeń kumulujących się w tych strukturach podczas cykli termicznych. Większa przewodność cieplna na całej płytce ceramicznej zapewnia również bardziej równomierną rozszerzalność cieplną, co zapobiega działaniu dużych naprężeń na przelotki w konkretnej części płytki.

Materiały ceramiczne mają pożądaną wytrzymałość mechaniczną i mogą wytrzymać duże obciążenia mechaniczne, w tym silne drgania i wstrząsy. Mają one niższy moduł Younga niż FR4, co oznacza, że płytki ceramiczne odkształcają się mniej niż FR4 po przyłożeniu tej samej siły.

Wytwarzanie płytek ceramicznych

Proces wytwarzania płytek ceramicznych pozwala na zastosowanie srebrnej lub złotej pasty przewodzącej do tworzenia połączeń ścieżek w poszczególnych warstwach. Te metalowe elementy lub substraty zazwyczaj umieszcza się w poszczególnych warstwach przy zastosowaniu procesu drukowania sitowego „warstwa po warstwie”. Przelotki można również przebić mechanicznie w niewypalonej warstwie albo wykonać laserowo

_{Ceramiczna płytka PCB może być wypalana w takim piecu}

Po wydrukowaniu warstw ceramicznych i ułożeniu ich w stos cały stos wypala się w piecu. Temperatura wypalania wymagana w przypadku płytek ceramicznych zazwyczaj jest niższa niż 1000°C, co odpowiada temperaturze spiekania materiału w złotej lub srebrnej paście. Ta niska temperatura pieczenia umożliwia stosowanie złota i srebra w ceramicznych płytkach PCB.

Procesy prasowania na gorąco/pieczenia i spiekania wielowarstwowych płytek PCB ułatwiają zintegrowanie podzespołów pasywnych bezpośrednio w wewnętrznych warstwach ceramicznych płytek PCB. Nie jest to możliwe w przypadku płytek wykonanych z materiału FR4. Dzięki temu projektanci mogą zagęścić podzespoły i połączenia na warstwach wewnętrznych.
Rozbudowane funkcje projektowania, symulowania i analizy w systemie Altium Designer 18.1 dają możliwość zbudowania płytki PCB z dowolnego materiału, w tym płytek ceramicznych. Teraz możesz pobrać bezpłatną wersję próbną i sprawdzić, czy Altium Designer zapewnia to, czego potrzebujesz. Porozmawiaj z ekspertem Altium, jeśli chcesz dowiedzieć się więcej.