2024 Mehrschicht-keramische PCB: vollständige Herstellungsführung Materialen, Verfahren und Industrieanwendungen

Im Zeitalter der Macht,Hochfrequenzelektronik – von 5G-Basisstationen über Antriebsstränge für Elektrofahrzeuge (EV) bis hin zu Luftfahrtradarsystemen – mehrschichtige Keramik-PCBs (MLC-PCBs) zeichnen sich als kritische Technologie ausIm Gegensatz zu herkömmlichen FR4-PCBs, die bei extremen Temperaturen mit Wärmeabbau und Signalintegrität zu kämpfen haben, nutzen MLC-PCBs keramische Substrate (z. B.Aluminiumnitrid) für eine höhere WärmeleitfähigkeitDer weltweite MLC-PCB-Markt spiegelt diese Nachfrage wider: Bis zum Jahr 2031 wird er voraussichtlich mit einer jährlichen Wachstumsrate von 9,91% wachsen.und Telekommunikationssektoren.

Dieser Leitfaden bietet eine umfassende Aufschlüsselung der MLC-PCB-Fertigung von der Materialwahl und der Schritt-für-Schritt-Fertigung bis hin zur Qualitätskontrolle und den realen Anwendungen.,Wir haben eine Reihe von Lösungen entwickelt, die uns helfen können, unsere Produkte zu verbessern. Wir haben eine Reihe von Lösungen entwickelt.

Wichtige Erkenntnisse
a.Materialüberlegenheit beeinflusst die Leistungsfähigkeit: Keramiksubstrate aus Aluminiumoxid (20 ‰ 30 W/mK) und Aluminiumnitrid (170 ‰ 200 W/mK) sind bei der Wärmeleitfähigkeit besser als FR4 (0,2 ‰ 0,3 W/mK).die es MLC-PCBs ermöglichen, bei 350°C+ gegen. FR4 ′s Grenze von 130°C.
b.Die Präzision der Herstellung ist nicht verhandelbar: MLC-PCBs erfordern 7 kritische Schritte: Substratvorbereitung, Schichtstapelung, Bohrungen, Metallisierung, Sintern, Veredelung,und Prüfungen, die jeweils hohe Toleranzen (± 5 μm für die Schichtausrichtung) erfordern.
c.Qualitätskontrolle verhindert kostspielige Ausfälle: Frühe Materialkontrollen (SEM-Inspektion) und Prozessprüfungen (AOI, elektrische Kontinuität) reduzieren die Fehlerquote auf <0.1% für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit (e.z.B. Luft- und Raumfahrt).
Die Anwendungen umfassen Branchen mit hohem Einsatz: MLC-PCBs sind für Radar für Automobil (77 GHz), Hochleistungs-LEDs (100.000+ Stunden Lebensdauer) und militärische Kommunikation (Wetterbeständigkeit) unerlässlich.
e. Zukünftiges Wachstum hängt von Innovation ab: Die Miniaturisierung (dickere Schichten) und die grüne Fertigung (niedrigenergetische Sinterung) werden die Verwendung von MLC-PCB in IoT und Elektrofahrzeugen erweitern.

Verständnis von mehrschichtigen keramischen PCBs (MLC PCBs)
MLC-PCBs sind fortschrittliche Leiterplatten, die durch Stapeln und Verbinden mehrerer keramischer Schichten hergestellt werden, von denen jede mit leitfähigen Schaltungen (z. B. Kupfer, Silber) geätzt ist.Ihre einzigartige Struktur verbindet die thermische Effizienz von Keramik mit der Dichte von mehrschichtigen Konstruktionen und füllt eine Lücke, die von herkömmlichen PCBs in der Hochleistungselektronik hinterlassen wird.

Was macht MLC-PCBs einzigartig?
Im Gegensatz zu FR4-PCBs (Glasfaser + Epoxid) oder einlagigen Keramik-PCBs bieten MLC-PCBs:
a. Höhere Wärmeleitfähigkeit: Bewegen Sie die Wärme 100×600 mal schneller als FR4, wodurch eine Überhitzung der Bauteile verhindert wird.
b.Weiterer Temperaturbereich: Zuverlässiger Betrieb von -200°C (Luftfahrt) bis 350°C (Industrieöfen).
c. Niedrigerer dielektrischer Verlust: Aufrechterhaltung der Signalintegrität bei Frequenzen bis zu 100 GHz (kritisch für 5G mmWave).
d. Kompakte Dichte: Stack 4 ‰ 20 keramische Schichten mit Mikrovia (50 ‰ 100 μm Durchmesser), um mehr Schaltkreise in kleinen Räumen zu passen.

Hauptvorteile nach Branchen
MLC-PCBs lösen branchenspezifische Schwierigkeiten, die traditionelle PCBs nicht lösen können.

Materialwahl für MLC-PCB: Aluminiumoxid vs. Aluminiumnitrid
Die Leistung von MLC-PCBs beginnt mit der Wahl des Substratmaterials. Zwei Keramikprodukte dominieren den Markt: Alumina (Al2O3) und Aluminiumnitrid (AlN).Jedes hat einzigartige Eigenschaften, die auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind..

Seite an Seite verglichen

Wie man das richtige Keramikmaterial wählt
a.Wählen Sie Alumina, wenn Sie eine kostengünstige Lösung für Anwendungen mit mittlerer Hitze (z. B. LED-Treiber, leistungsarme Automobilsensoren) benötigen, bei denen eine Wärmeleitfähigkeit von 20 ̊30 W/mK ausreicht.
b.Wählen Sie Aluminiumnitrid, wenn: Sie für Hochleistungs-Szenarien (z. B. EV-Antriebe, Luftfahrtradar) entwerfen, die eine maximale Wärmeabgabe (170~200 W/mK) und Temperaturbeständigkeit erfordern.
c. Vermeiden Sie FR4, wenn: Ihre Anwendung 130°C übersteigt oder eine Signalintegrität von mehr als 10 GHz erfordert.

Materialvorbereitung: Vom Pulver bis zur Vorform
Vor der Herstellung werden Keramikmaterialien einer strengen Vorbereitung unterzogen, um die Einheitlichkeit und Qualität zu gewährleisten:
1.Pulververarbeitung: Alumina-/AlN-Pulver wird bis zu einer feinen Partikelgröße (1-5 μm) geschliffen, um später eine dichte Sinterung zu gewährleisten.
2Zusatz von Bindemitteln: Pulver werden mit organischen Bindemitteln (z. B. Polyvinylbutyral) und Lösungsmitteln gemischt, um eine viskose "Schleimung" für das Tape-Gießen herzustellen.
3.Tape Casting: Der Schlauch wird mit Hilfe einer Arztklinge auf einen Trägerfilm (z. B. PET) aufgetragen, wodurch dünne, einheitliche Keramikfolien (50 ‰ 200 μm) entstehen.
4.Punching/Cutting: Getrocknete Blätter werden auf die gewünschte PCB-Größe (z.B. 100x150mm) geschnitten und für eine präzise Stapelung mit Ausrichtungslöchern durchbohrt.

Kritischer Schritt: Die Reinheit des Pulvers wird mit Hilfe von Röntgenfluoreszenz (XRF) geprüft, um sicherzustellen, dass keine Verunreinigungen entstehen. Selbst 0,5% Eisen kann die Wärmeleitfähigkeit um 10% reduzieren.

Schritt für Schritt MLC PCB Herstellungsprozess
Bei der Herstellung von MLC-PCBs handelt es sich um eine präzisionsgesteuerte Reihenfolge von 7 Schritten, die jeweils spezialisierte Ausrüstung und strenge Prozesskontrolle erfordern.Unvollständige Sinterung) kann die Platte nutzlos machen.

1. Substratvorbereitung: Herstellung einheitlicher Keramikbleche
Die Grundlage von MLC-PCBs sind hochwertige Keramikbleche.
a. Dickeinspektion: Ein Lasermikrometer überprüft die Dicke der Bleche (Toleranz von ± 2 μm), um eine gleichbleibende Schichtstapelung zu gewährleisten.
b.Dichtheitstests: Zufällige Proben werden gebacken, um Bindemittel zu entfernen, und gewogen, um die Pulverkonzentration zu überprüfen.
c. Oberflächenreinigung: Die Blätter werden mit Isopropylalkohol abgewischt, um Staub zu entfernen, der in späteren Schritten Luftlücken verursachen könnte.

2Schichtstapeln und Lamination: Bindung keramischer Schichten
Das Stapeln ausrichtet Keramikbleche mit leitfähigen Mustern, um die mehrschichtige Struktur zu bilden.

Wichtige Schritte beim Stapeln:
a.Bildschirmdruck: Leitende Paste (Kupfer, Silber oder Gold) wird auf Keramikblätter gedruckt, um Schaltkreisspuren, Pads und über Pads zu erzeugen.000 cP) zur Gewährleistung eines scharfen, einheitliche Linien.
b.Ausrichtung: Die Blätter werden mit Hilfe optischer Ausrichtungssysteme (±5μm Genauigkeit) gestapelt, die den zuvor durchbohrten Ausrichtungslöchern entsprechen.
c.Lamination: Die gestapelte Baugruppe wird in einem Vakuumlaminator bei 70-100°C und einem Druck von 1020 MPa gepresst.

Kritische Laminationsfaktoren:

3Durch Bohren und Bohrlochmetallisierung: Verbindungsschichten
Vias sind winzige Löcher, die Schaltungen über Schichten hinweg verbinden.
a.Laserbohrung: UV-Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm bohren Mikrovia mit einem Durchmesser von 50-100 μm mit einer Genauigkeit von ±5 μm. Diese Methode eignet sich hervorragend für Hochdichte-Konstruktionen (z. B. 5G-Module).
b.Punching: Mechanische Stöße erzeugen größere Durchläufe (200 ‰ 500 μm) für kostengünstige Anwendungen (z. B. LED-Treiber).
Nach dem Bohren:
c. Entfleckung: Eine Plasmabehandlung entfernt Restbindemittel über Wände, um die Metalladhäsion zu gewährleisten.
d. Metallisierung: Durchläufe werden mit leitfähiger Paste (Silber oder Kupfer) gefüllt oder mit elektrolösem Kupfer (0,5 μm Dicke) beschichtet, um elektrische Wege zwischen den Schichten zu schaffen.

4Metallisierung und Schaltkreisgestaltung: Schaffung von Leitungswegen
Es werden zwei Hauptmethoden verwendet:
a.Bildschirmdruck: Am häufigsten für MLC-PCBs wird eine leitfähige Paste auf Keramikblätter gedruckt, um Spuren (50 ‰ 100 μm Breite) und Pads zu bilden. Die Paste wird bei 120 °C getrocknet, um Lösungsmittel zu entfernen.
b. Sputtering: Für Hochfrequenzanwendungen (z. B. Radar) wird eine dünne Kupferschicht (1μm) mit einem Vakuumsystem auf Keramikbleche gespritzt.Sputtering liefert eine bessere Haftung und Signalintegrität als Siebdruck, ist aber teurer.

Qualitätskontrolle: Ein automatisiertes optisches Inspektionssystem (AOI) überprüft die Spurenbreite, die Ausrichtung der Pads und die Pastabdeckung.

5. Sintern: Verdichten der keramischen Struktur
Das Sintern ist der "Make-or-break"-Schritt, der die gestapelte, organisch gefüllte Baugruppe in eine dichte, keramische PCB verwandelt.
a. Entfernen von organischen Bindemitteln (Verbrennungsphase: 200°C bis 400°C).
b. Keramikpartikel zu einer festen, dichten Struktur verschmelzen (Sinterungsphase: 1600-1800 °C für Aluminium; 1700-1900 °C für AlN).
c. Bindet leitfähige Schichten an das keramische Substrat.

Wichtige Ergebnisse der Sinterung:

Kritische Steuerung: Der Sinterofen verwendet eine programmierte Temperaturrampe (5°C/min), um Risse zu vermeiden.

6Oberflächenbearbeitung: Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Schweißfähigkeit
Nach dem Sintern wird das MLC-PCB einer Oberflächenbehandlung unterzogen, um es zur Bauteilmontage vorzubereiten:
a. Planarisierung: Die oberen und unteren Oberflächen werden mit Diamantschleifstoffen geschliffen, um eine Flachheit von ± 5 μm zu erreichen, die für die Platzierung von Oberflächenbauteilen (SMC) kritisch ist.
b. Oberflächenbeschichtung: Auf die Pads wird eine dünne Schicht aus Nickel (510μm) und Gold (0,10,5μm) oder ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) aufgetragen, die die Schweißfähigkeit verbessert und eine Oxidation verhindert.
c. Lasermarkierung: Ein Faserlaser graviert Teilenummern und Chargencodes für die Rückverfolgbarkeit auf der Leiterplatte.

Vergleich der Oberflächenveredelung für MLC-PCB:

7. Endmontage und Prüfung: Validierung der Leistung
Der letzte Schritt besteht darin, Bauteile zu montieren und die Funktionalität der PCB zu überprüfen:
1.Komponentenplatzierung: SMCs (z. B. Widerstände, Kondensatoren, ICs) werden mit Pick-and-Place-Maschinen (Genauigkeit ± 10 μm) platziert.
2.Rücklauflöten: Das PCB wird in einem Rücklauföfen erhitzt (Spitztemperatur: 260°C für bleifreies Löten), um Lötpaste und Bindungskomponenten zu schmelzen.
3Waschen: Die wasserhaltige Reinigung entfernt Flussrückstände, die Korrosion verursachen könnten.
4.Funktionelle Prüfung: Die Leiterplatte wird auf elektrische Kontinuität, Impedanz (± 1Ω bei 50Ω-Konstruktionen) und Signalintegrität (mit einem VNA für Hochfrequenzplatten) getestet.
5.Umweltprüfung: Für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit werden PCBs thermischen Kreislauf (-40 °C bis +150 °C, 1000 Zyklen) und Vibrationsprüfung (10 ‰ 2000 Hz, 10G Beschleunigung) unterzogen, um die Haltbarkeit sicherzustellen.

Qualitätskontrolle: Verhinderung von MLC-PCB-Mängeln
MLC-PCBs werden in sicherheitskritischen Anwendungen (z. B. EV BMS, Luftfahrtradar) verwendet, so dass Qualitätskontrolle (QC) in jeden Schritt der Herstellung eingebettet ist.

1. Rohstoff QC: Frühe Erkennung von Problemen
a.Pulverreinheit: XRF-Analysen stellen sicher, dass Verunreinigungen <0,1% sind. Selbst kleine Mengen Eisen können die Wärmeleitfähigkeit reduzieren.
b.Bindemittelkonsistenz: Die Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) überprüft die Bindemittelzusammensetzung, um Probleme mit dem Schrumpfen beim Sintern zu vermeiden.
c. Blattgleichheit: Ein Laserprofiler überprüft die Keramikblechdicke (± 2 μm) und Oberflächenrauheit (Ra < 0,5 μm) um Laminationslücken zu vermeiden.

2- QC im Produktionsprozess: Fehlstellungen in der Produktion stoppen
a. Layer-Alignment: Optische Ausrichtungssysteme (Genauigkeit ± 5 μm) überprüfen gestapelte Schichten. Eine Fehlausrichtung > 10 μm führt zu einer Nachbearbeitung.
b.Viaqualität: Röntgenuntersuchung (Auflösung 20 μm) überprüft durch Füllungsschwellen, wenn > 10% des Viavolumens abgelehnt werden.
c.Sinterdichte: Das Archimedesprinzip misst die Keramikdichte<95% des theoretischen Wertes, was auf eine unvollständige Sinterung hinweist.

3Endgültige Qualitätskontrolle: Validierung der Leistung von Ende zu Ende
a.Elektrische Prüfung: Flugsondeprüfer prüfen die Öffnung/Kurzstrecke (100% Abdeckung) und die Impedanzstabilität (±1Ω).
b.Thermische Prüfung: Ein Laserblitz-Analysator misst die Wärmeleitfähigkeit, wobei Werte < 90% der Spezifikation auf Mängel hinweisen.
c. Mechanische Prüfung: Flexuralstärkeprüfungen (nach ASTM C1161) stellen sicher, dass das PCB der Handhabung standhält.
d. Zuverlässigkeitsprüfung: Die beschleunigte Lebensdauerprüfung (ALT) simuliert 10 Jahre Gebrauch (z. B. 1000 thermische Zyklen), um die langfristige Leistung vorherzusagen.

Datenpunkt: Durch strenge QC werden die MLC-PCB-Mängelraten bei Luft- und Raumfahrtanwendungen auf <0,1% reduziert.

MLC-PCB-Anwendungen und zukünftige Trends
MLC-PCBs sind in Branchen, in denen Leistung, Zuverlässigkeit und Temperaturbeständigkeit nicht verhandelbar sind, unverzichtbar.

Schlüsselanwendungen nach Industrie

Zukunftstrends bei der Gestaltung von MLC-PCB
1.Miniaturisierung und höhere Dichte:Die Nachfrage nach kleineren IoT-Geräten und 5G-Modulen treibt MLC-PCBs mit mehr als 20 Schichten und Mikrovia <50μm – ermöglicht durch fortgeschrittenes Laserdrehen und dünne Keramikplatten (50μm) - voran.
2.Grüne Fertigung: Niedrigenergie-Sinterung (mit Mikrowellenherstellern anstelle traditioneller Öfen) reduziert den Energieverbrauch um 40%.
3.Neue keramische Materialien: Silikoncarbid (SiC) und Bornitrid (BN) Keramik entstehen. SiC bietet eine Wärmeleitfähigkeit von 300 W/mK (besser als AlN) für Elektrofahrzeuge mit hoher Leistung.
4.Eingebettete Komponenten: Passive Komponenten (Widerstände, Kondensatoren) sind in keramische Schichten eingebettet, um Platz zu sparen.

FAQ: Häufige Fragen zu MLC-PCB
1Warum sind MLC PCBs teurer als FR4 PCBs?
MLC-PCBs kosten aufgrund folgender Faktoren 5×10 mal mehr als FR4:
a.Spezialisierte Materialien (Alumina/AlN kostet zehnmal mehr als FR4).
b. Präzisionsfertigung (Laserbohrung, Vakuumsinternen).
c. Strenge Qualitätskontrolle (Röntgenaufnahmen, thermische Prüfungen).
Ihre längere Lebensdauer (10x gegenüber FR4) und niedrigere Wartungskosten machen sie jedoch für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit kostengünstig.

2Können MLC-PCBs für bestimmte Anwendungen angepasst werden?
Dazu gehören folgende Anpassungsmöglichkeiten:
a. Materialwahl (Alumina für Kosten, AlN für hohe Wärme).
b.Schichtzahl (420 Schichten).
c. Durchgangsgröße (50 ‰ 500 μm).
d. Oberflächenveredelung (ENIG für die Luftfahrt, Eintauchsilber für die Automobilindustrie).
e. Einbettung von Komponenten (für die Miniaturisierung).

3Wie lange dauert die typische Vorlaufzeit für MLC-PCBs?
Die Vorlaufzeiten variieren je nach Komplexität:
a. Prototypen (1 ‰ 10 Einheiten): 2 ‰ 4 Wochen (einschließlich Sintern und Testen).
b.Kleine Chargen (100-500 Einheiten): 4-6 Wochen.
c.Große Chargen (1000+ Einheiten): 6~8 Wochen.
Die Vorlaufzeiten sind aufgrund des Sinterprozesses, der 2 ̊3 Tage dauert, länger als bei FR4 (1 ̊2 Wochen).

Schlußfolgerung: MLC-PCBs Das Rückgrat der nächsten Generation der Elektronik
Mehrschichtige keramische PCBs sind nicht nur eine "hochleistungsfähige" Alternative zu herkömmlichen PCBs, sondern auch eine Notwendigkeit für die anspruchsvollsten elektronischen Anwendungen.Ihre einzigartige Kombination der Wärmeleitfähigkeit, Temperaturbeständigkeit und Signalintegrität ermöglichen Innovationen in Elektrofahrzeugen, 5G, Luft- und Raumfahrt und medizinischen Geräten, die einst unmöglich waren.

Der Herstellungsprozess von MLC-PCBs erfordert Präzision, spezielle Ausrüstung und Qualitätssicherung.von der Reinheitsprüfung von Pulver bis hin zu thermischen Tests, ist so konzipiert, dass die Zuverlässigkeit in sicherheitskritischen Umgebungen gewährleistet ist.

Da sich die Elektronikindustrie in Richtung höherer Leistung, höherer Frequenz und kleinerer Formfaktoren entwickelt, werden MLC-PCBs eine noch größere Rolle spielen.und neue keramische Materialien werden ihren Einsatz in IoT erweitern, Wearables und ultra-starke Elektrofahrzeuge.

Für Ingenieure und Käufer ist das Verständnis der MLC-PCB-Fertigung der Schlüssel zur Auswahl der richtigen Technologie für ihre Projekte.Sie können MLC-PCBs nutzen, um sicherere Elektronik zu bauen.Die Zukunft der Hochleistungselektronik liegt in der Keramik, und MLC-PCBs sind führend.