Ultimativer Leitfaden für keramische PCB-Herstellungsverfahren

A Keramik-Leiterplatte ist eine Leiterplatte, die aus einem keramischen Substrat, typischerweise Aluminiumoxid oder Tonerde, hergestellt wird, was sie von FR4 PCB die ein glasfaserverstärktes Epoxidmaterial verwendet. Keramische Leiterplatten bieten bemerkenswerte Vorteile wie eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit (Aluminiumoxid: 24-28 W/mK vs. FR4: 0,3-0,4 W/mK), eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit (Aluminiumoxid: 300-400 MPa vs. FR4: 300-400 MPa) und eine höhere Temperaturtoleranz (Aluminiumoxid: 1600 °C vs. FR4: 130-140 °C).

Während FR4-Leiterplatten kostengünstig sind und häufig für Standardanwendungen verwendet werden, werden Keramik-Leiterplatten vor allem in Umgebungen mit hoher Leistung, hohen Frequenzen und extremen Temperaturen eingesetzt. In solchen Fällen, in denen ein verbessertes Wärmemanagement (unter Verwendung von Formeln wie q = k * A * ΔT / d) und die Leistung entscheidend sind, wiegen die überlegenen Eigenschaften keramischer Materialien die damit verbundenen höheren Kosten und komplizierteren Herstellungsprozesse auf.

Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über den Herstellungsprozess, der von FS Technik um die Produktion von hochwertigen keramischen Leiterplatten zu gewährleisten:

Herstellungsprozess für keramische Leiterplatten

Schritt 1: Auswahl des Keramiksubstratmaterials

Es gibt drei Hauptsubstrate, die für die Herstellung von Keramik-Leiterplatten verwendet werden: Al2O3, AlN, und BeO. Die verschiedenen Herstellungstechniken für keramische Leiterplatten basieren auf spezifischen Substraten, die jeweils aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften ausgewählt werden.

Die Auswahl eines Keramiksubstrats für die Leiterplattenherstellung beruht auf einer differenzierten Bewertung mehrerer kritischer Bedingungen und Eigenschaften, die für die vorgesehene Anwendung erforderlich sind. Zunächst werden die elektrischen Eigenschaften wie Dielektrizitätskonstante und Festigkeit bewertet, um sicherzustellen, dass das Material den elektrischen Anforderungen der Schaltung entspricht. Darüber hinaus ist die Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit entscheidend für eine effektive Wärmeableitung in Szenarien mit hohem Stromverbrauch. Schlüsselsubstrate für keramische Leiterplatten:

Aluminiumoxid (Al2O3):

  • Dielektrizitätskonstante: 9,6-10,2
  • Elektrische Festigkeit: 15-20 kV/mm
  • Wärmeleitfähigkeit: 24-28 W/mK
 

Aluminiumnitrid (AlN):

  • Dielektrizitätskonstante: 8,7-9,3
  • Elektrische Festigkeit: 15-20 kV/mm
  • Wärmeleitfähigkeit: 140-170 W/mK
 

Beryllium-Oxid (BeO):

  • Dielektrizitätskonstante: 6,7-7,2
  • Elektrische Festigkeit: 40-45 kV/mm
  • Wärmeleitfähigkeit: 230-330 W/mK

Schritt 2: Vorbereitung des Substrats

Nach dem Schneiden entfernen gründliche Reinigungsmethoden wie Ultraschallreinigung oder chemische Behandlungen Verunreinigungen und sorgen für eine makellose Oberfläche für die weitere Verarbeitung. Das Entgraten wird durchgeführt, um scharfe Kanten zu beseitigen, während Inspektionen eine makellose Oberfläche garantieren, die für die gleichmäßige Ablagerung von leitenden Schichten entscheidend ist. Das Trocknen des Substrats und alle erforderlichen Vorbehandlungsschritte schließen die Vorbereitung des Substrats ab und legen den Grundstein für erfolgreiche Abscheidungsprozesse und die anschließende Fertigungsstufen bei Keramik-Leiterplatten Produktion.

Schritt 3: Abscheidung von leitfähigen Schichten

a. Druck der inneren Schicht

Bringen Sie einen lichtempfindlichen Film auf das Laminat auf, um das Design genau auszurichten. Wenn der Film ultraviolettem Licht ausgesetzt wird, härtet er aus und richtet den Entwurf des Boards genau aus.

b. UV-Belichtung und Ätzen

Nachdem Sie den Fotolack und die Platine ausgerichtet haben, bestrahlen Sie sie mit ultraviolettem Licht, wodurch der Fotolack gehärtet wird. Entfernen Sie anschließend unerwünschtes Kupfer mit einer alkalischen Lösung von der Platine, wobei der gehärtete Fotolack intakt bleibt.

c. Ebenenausrichtung und Fusion

Bereiten Sie das Verschmelzen der Schichten vor, indem Sie die äußeren Schichten mit dünner Aluminiumfolie auf dem Substrat stapeln, die Kupferbahnen enthält. Verbinden Sie diese Schichten auf einem schweren Stahltisch mit Hilfe von Klammern und Ausrichtungsstiften sicher miteinander. Bringen Sie Prepreg-Schichten und Kupferbleche an und pressen Sie den Stapel schließlich mit Hilfe von Aluminiumfolie und einer Kupferpressplatte, wobei Sie die Baugruppe für die Verschmelzung erhitzen und abkühlen.

d. Präzisionsbohren

Bohren Sie präzise Löcher in die bestückte Platine, indem Sie einen Röntgenlokalisierer für genaue Bohrpunkte verwenden. Verwenden Sie computergestützte Bohrer mit luftbetriebenen Spindeln, die sicherstellen, dass jedes Loch präzise erzeugt wird und durch Puffermaterialien für eine saubere Bohrung unterstützt wird.

e. Beschichtung und Kupferabscheidung

Reinigen Sie die Platte gründlich und legen Sie sie in chemische Bäder für die Kupferabscheidung, um sicherzustellen, dass eine dünne Schicht (etwa ein Mikrometer dick) auf der Oberfläche der Platte abgeschieden wird. Die Kupferbäder decken die Wände der Löcher ab und erleichtern die Verbindung zwischen den Schichten.

f. Bildgebung der äußeren Schicht

Tragen Sie Fotolack auf die Platte auf und belichten Sie sie in einer kontrollierten Umgebung mit starkem UV-Licht. Entfernen Sie den ungehärteten Fotolack mit einer Maschine, um sicherzustellen, dass unerwünschte Materialien präzise von den äußeren Schichten entfernt werden.

g. Kupfer-Galvanisierung

Galvanisieren Sie die freiliegenden Bereiche der Platte mit einer dünnen Kupferschicht, gefolgt von einer Verzinnung, um überschüssiges Kupfer aus der Ätzphase zu entfernen.

h. Endgültiges Ätzen

Verwenden Sie chemische Lösungen, um überschüssiges Kupfer zu entfernen und gleichzeitig die gewünschten Kupferbereiche mit Zinn zu schützen, um die richtigen leitenden Bereiche und Verbindungen herzustellen.

Schritt 4: Anbringung der Komponenten

Einbau von keramischen PCB-Komponenten

a. Löten

Der Lötprozess ist eine kritische Abweichung. Keramische Substrate erfordern eine spezielle Lötpaste, die den höheren Temperaturen standhält, die für das Löten erforderlich sind. Zusätzlich, Schablonen für das Auftragen von Lötpaste müssen an die Dicke und das Material der Keramik angepasst werden, um ein präzises Auftragen zu gewährleisten, ohne die Integrität des Substrats zu beeinträchtigen.

b. Platzierung der Komponente

Präzision bei der Platzierung von Bauteilen ist nach wie vor von größter Bedeutung, wird aber bei Keramiksubstraten aufgrund ihrer Sprödigkeit noch wichtiger. Automatisierte Pick-and-Place-Systeme oder manuelle Methoden erfordern eine sorgfältige Handhabung, um eine Beschädigung des Substrats während der Platzierung zu vermeiden. Darüber hinaus können für bestimmte Komponenten oder Anwendungen spezielle Klebstoffe verwendet werden, die mit den Eigenschaften von Keramik kompatibel sind und die die besonderen Temperatur- und Klebeanforderungen von Keramik erfüllen.

c. Temperaturkontrolle

Temperaturkontrolle während Reflow-Löten ist ein bemerkenswerter Unterschied. Keramische Substrate erfordern kontrollierte Reflow-Profile, die auf ihre Hochtemperaturtoleranz abgestimmt sind und gleichzeitig eine übermäßige thermische Belastung vermeiden. Allmähliche Aufheiz- und Abkühlprofile sind unerlässlich, um Temperaturschocks abzumildern und mögliche Schäden am Keramiksubstrat zu vermeiden.

d. Post-Attachment-Tests

Nach dem Anbringen ist das allmähliche Abkühlen der Komponenten entscheidend, um einen thermischen Schock auf dem Substrat zu vermeiden. Inspektionsmethoden wie die Infrarot-Thermografie werden notwendig, um die Integrität der Lötstellen zu überprüfen, ohne die strukturelle Integrität der Keramik zu beeinträchtigen. Bei Funktionstests wird die hohe Wärmeleitfähigkeit von Keramik berücksichtigt, um trotz möglicher Wärmeabgabe zuverlässige elektrische Verbindungen zu gewährleisten.

Schritt 5: Testen und Fertigstellung

a. Board Testing

Durchgangsprüfung: Überprüfen Sie die Kontinuität des elektrischen Pfades über die Leiterbahnen und stellen Sie sicher, dass es keine Unterbrechungen gibt, die eine ordnungsgemäße Signalübertragung behindern könnten.

Impedanz-Messung: Bewerten Sie den Impedanzpegel innerhalb des Schaltkreises, um sicherzustellen, dass er den vorgegebenen Designanforderungen entspricht. Dies ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Signalintegrität, insbesondere bei Hochfrequenzanwendungen.

Funktionstests: Führen Sie umfassende Funktionstests durch, um die Gesamtfunktionalität der Leiterplatte zu überprüfen. Dabei wird die Leiterplatte verschiedenen Betriebsbedingungen ausgesetzt, um sicherzustellen, dass sie in verschiedenen Szenarien die erwartete Leistung erbringt. Diese Tests bewerten die Reaktion der Leiterplatte auf Eingangssignale und ihre Fähigkeit, die gewünschte Ausgabe zu erzeugen.

b. Board Finishing Tests

Auftragen der Beschichtung: Tragen Sie eine Schutzschicht auf, um die Leiterplatte vor äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit, Chemikalien oder physischen Schäden zu schützen. Dienstleistungen für die konforme Beschichtung verbessern die Haltbarkeit und Langlebigkeit der Leiterplatte.

Inspektion und Qualitätssicherung: Führen Sie eine gründliche Sichtprüfung um jegliche Defekte oder Unregelmäßigkeiten in der Schutzschicht zu erkennen. Erweiterte Inspektionstechniken wie AOI können verwendet werden, um einen präzisen Auftrag der Beschichtung und deren Abdeckung zu gewährleisten.

Fazit

Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Leistung moderner Elektronik wird die Bedeutung von Keramik-Leiterplatten besonders wichtig. Dadurch wird sichergestellt, dass die Schaltkreise auch unter extrem rauen Bedingungen stabil arbeiten können. Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien ist es jedoch schwierig, Keramiksubstrate in Mehrschichtkonfigurationen zu verwenden. Für reine keramische Materialien (Al2O3, AlN und BeO) kann FS Tech derzeit nur einlagige, zweilagige und doppelseitige Strukturen herstellen. Wenn Ihr Projekt eine Mehrschicht-Keramik-Leiterplattewerden wir verwenden Rogers als Alternative.

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