Периодически наши партнеры обращаются к нам с вопросом можно ли сделать «керамическую печатную плату»? Мы решили написать статью посвященную созданию печатных плат на керамике и альтернативным возможностям нашего производства.
Керамические печатные платы широко применялись для производства высоконадежных электронных устройств (например, в военном, космическом и промышленном оборудовании) в СССР. В отличие от современных многослойных печатных плат с медной фольгой, здесь использовалась технология напыления меди непосредственно на керамическую подложку.
Основные этапы производства плат на керамике были:
1. Подготовка керамической пластины.
Для производства печатных плат на керамике использовались керамические пластины из оксида алюминия (Al₂O₃) или нитрида алюминия (AlN) с высокой теплопроводностью и механической прочностью.Поверхность пластины тщательно очищалась от загрязнений для улучшения адгезии металлического слоя.
2. Напыление меди.
После зачистки, на керамическую пластину наносился тонкий слой меди методом вакуумного напыления или магнетронного распыления. Для улучшения сцепления между керамикой и медью иногда предварительно наносился подслой (например, хром или титан).
3. Формирование проводящих дорожек.
На медный слой наносился фоторезист, который засвечивался через фотошаблон с рисунком схемы. После проявления незащищенные участки меди травились в химическом растворе (например, хлорном железе). Альтернативно использовался метод аддитивного формирования рисунка – медь осаждалась только в нужных местах через маску.
4. Пайка и монтаж компонентов.
Поскольку керамика выдерживает высокие температуры, применялась пайка в печи или ручная пайка тугоплавкими припоями. Для защиты от окисления иногда наносились дополнительные покрытия (никель, золото).
Преимущества технологии:
- Высокая термостойкость и механическая прочность.
- Хорошее теплоотведение, важное для мощных приборов.
- Миниатюризация – возможность создания тонких проводников и плотного монтажа.
Недостатки:
- Высокая стоимость по сравнению с фольгированными платами.
- Ограниченная сложность многослойных структур.
Эта технология применялась в микросхемах гибридных сборок, СВЧ-устройствах и другого высокоточного оборудования.
Современные технологии и материалы позволяют преодолеть недостатки данного метода в производстве СВЧ устройств. Современные керамические материалы, например,фирмы Rogers (серий RO 4003, 4350, RO 3003,3010 и т.д.),технология обработки которых подобны обработке R4, позволяют делать сложные многослойные СВЧ платы.
Ламинаты серии Rogers — это высокочастотный материал, широко используемый в электронной промышленности, известный своими превосходными электрическими и термическими свойствами.Материалы имеют коэффициент теплового расширения по осям X и Y близкий по значению к КТР меди и FR4, что дает возможность строить надежные RO3000/FR4 гибридные сборки.
Благодаря низкому значению тангенса угла диэлектрических потерь, ламинат Rogers может использоваться в СВЧ оборудовании. Rogers поддерживает производительность в высокочастотных цепях, таких как телекоммуникации, аэрокосмические и радиолокационные системы, что является важным, учитывая рост спроса на более быструю и беспроводную передачу сигнала. Его производительность гарантирует, что схема устройства будет работать быстро и надежно.
На нашем производстве используются:
Rogers RO-3003 двухсторонний
Материалы серии RO3000 были первыми материалами Rogers, разработанными для широкого применения в начале 1990-х годов. В состав серии входят RO3003™ (ε=3.0), RO3035 (ε=3.50), RO3006 (ε=6.15) и RO3010 (ε=10.2).
Особенности и преимущества:
- Высокочастотные характеристики с низкими потерями.
- Подходят для применения в устройствах с частотами до 30-40 ГГц
- Оптимальные тепломеханические свойства.
- Надежность полосковых линий и многослойных печатных плат.
- Единообразие механических свойств с широким диапазоном характеристик диэлектрической проницаемости.Оптимально для смешанных моделей многослойных печатных плат. Подходит для использования в гибридных моделях с эпоксидным стеклотекстолитом
- Постоянное значение диэлектрической проницаемости по отношению к температуре и частоте RO 3003™.Оптимально для полосовых фильтров, микрополосковых антенн и генераторов, управляемых напряжением
- Малый коэффициент теплового расширения в плоскости, равный КТР. Повышает надежность узлов поверхности монтажа. Оптимально для схем, чувствительных к изменению температуры. Исключительная стабильность размерных параметров.
- Процесс крупносерийного производства. Рентабельная расценка ламината.
Rogers RO-4003C двухсторонний,Rogers RO-4350В двухсторонний
Особенности и преимущества:
- Не содержат фторопласт.
- Технология обработки совпадает с FR4.
- Сверхнизкая возгораемость (RO4350 TM).
- Более низкие затраты на обработку и сборку.
Превосходные высокочастотные характеристики в связи с малой
диэлектрической проницаемостью и низким уровнем потерь.
- Оптимально для устройств с более высокими рабочими
частотами.
Стабильные электрические свойства в широком диапазоне частот.
- Оптимальны для многослойных и смешанных диэлектрических
плат.Низкое значение теплового коэффициента диэлектрической
проницаемости.
- Оптимально для схем, чувствительных к изменению
температуры.
Малое растяжение по оси Z.
- Гарантия высокого качества металлизированных отверстий.
Коэффициент растяжения в плоскости.
- Исключительная надежность узлов поверхностного монтажа.
- Подходят для использования в гибридных МПП с эпоксидным
стеклотекстолитом.
Высокая температура стеклования (280° С).
- Отсутствие деформаций во время сборки пайкой.
- Высокая надежность металлизированных отверстий.
Технология производства печатных плат на материале Rogers с керамическим наполнением на заводе «ЭЛЕКТРОконнект».
1. Подготовка материала
Первый этап - выбор подложки (например, RO3003, RO4003C, RO-4350В) на основе PTFE или углеводородной смолы с керамическим наполнителем (Al₂O₃, SiO₂). Медная фольга (обычно 18–35 мкм) предварительно ламинирована на материал. Выбор зависит от требуемых характеристик среды, типа изделия и диапазона частот работы, а также от требуемой проницаемости и температурных характеристик.
2. Раскрой и сверление.
Затем пластины механически режутся на заготовки, и в них высверливаются переходные отверстия.
3. Металлизация отверстий.
- Химическая активация (нанесение палладиевого катализатора). Медь 1-3 мкм
- Гальваническая медь (толщина 20–30 мкм) для обеспечения проводимости.
4. Формирование рисунка проводников.
- Нанесение фоторезиста, экспонирование через фотошаблон (MDI— прямое лазерное изображение).
- Травление меди (феррохлорид или аммиачные растворы), удаление фоторезиста.
5. Сборка многослойных плат
- Чередование слоев Rogers и препрегов.
- Вакуумное прессование.
6. Финишная обработка.
Нанесение паяльной маски (LPI) и маркировки. Покрытие контактных площадок: ENIG (Ni/Au), иммерсионное серебро или OSP.
7. Контроль качества
- Измерение импеданса (критично для СВЧ-плат).
- AOI (автоматическая оптическая инспекция).
Ключевые особенности технологии
- Низкие диэлектрические потери.
- Высокая теплопроводность.
- Стабильность размеров.
Преимущества и недостатки
Rogers
Плюсы:
- Оптимизированы для ВЧ/СВЧ-приложений.
- Совместимы с автоматизированным производством.
Минусы:
- Дорогой материал, требуют специализированного оборудования.
Советская керамика:
Плюсы:
- Высокая механическая прочность и термостойкость.
- Ремонтопригодность (напыление меди возможно даже в полевых условиях) .
Минусы:
- Низкая воспроизводимость параметров.
- Ограниченная сложность схем.
Современные материалы Rogers превосходят советские аналоги по точности, стабильности и применимости в высокочастотной электронике. Однако советская технология напыления меди на керамику остается актуальной для ремонта и экстремальных условий (например, военная техника), где критична термостойкость .
Подробно о материалах для СВЧ плат на производстве в «ЭЛЕКТРОконнект» читайте на нашем сайте.