2024 Meerlaagse Keramische PCB's: Complete Productiegids – Materialen, Proces & Industrie Toepassingen

In het tijdperk van hoge macht,hoogfrequente elektronica –van 5G-basisstations tot aandrijflijnen voor elektrische voertuigen (EV's) en radarsystemen voor de luchtvaart –meerlaagse keramische PCB's (MLC PCB's) zijn een cruciale technologieIn tegenstelling tot traditionele FR4-PCB's, die bij extreme temperaturen worstelen met warmteafvoer en signaalintegrititeit, maken MLC-PCB's gebruik van keramische substraten (bijv.aluminiumnitride) om een superieure thermische geleidbaarheid te leverenDe wereldwijde markt voor MLC-PCB's weerspiegelt deze vraag: naar verwachting zal de markt tot 2031 met een CAGR van 9,91% groeien, gedreven door de invoering in de automobiel-, luchtvaart-,en telecommunicatiesector.

Deze gids bevat een uitgebreide verdeling van de productie van MLC-PCB's, van materiaalkeuze en stapsgewijze productie tot kwaliteitscontrole en toepassingen in de praktijk.,Met actioneel inzicht en de beste praktijken van de industrie, stelt het ingenieurs, kopers en ontwerpers in staat om deze high-performance technologie te begrijpen en te benutten.

Belangrijkste lessen
a.Materiaaloverheersing zorgt voor prestaties: keramische substraten van aluminium (2030 W/mK) en aluminiumnitride (170200 W/mK) hebben een betere thermische geleidbaarheid dan FR4 (0,20,3 W/mK),MLC-PCB's kunnen 350°C+ tegen. FR4 ̊s 130°C grens.
b.Manufactureringsnauwkeurigheid is niet onderhandelbaar: MLC-PCB's vereisen 7 kritieke stappen: voorbereiding van het substraat, laagstapeling, boorwerk, metallisatie, sintering, afwerking,en testen – elk vraagt om strakke toleranties (± 5 μm voor laagopstelling).
c.Kwaliteitscontrole voorkomt kostbare storingen: vroegtijdige materiaalcontroles (SEM-inspectie) en tests tijdens het proces (AOI, elektrische continuïteit) verminderen de gebrekcijfers tot <0.1% voor toepassingen met een hoge betrouwbaarheid (e................................
d.De toepassingen strekken zich uit over industrieën met hoge risico's: MLC-PCB's zijn essentieel voor automotive radars (77 GHz), high-power LED's (100.000+ uur levensduur) en militaire communicatie (weerstand tegen zware weersomstandigheden).
e.Toekomstige groei hangt af van innovatie: Miniaturisatie (dichter lagen) en groene productie (laag-energie sintering) zullen het gebruik van MLC PCB in IoT en EV's uitbreiden.

Inzicht in meerlaagse keramische PCB's (MLC-PCB's)
MLC-PCB's zijn geavanceerde circuitboards die worden geconstrueerd door meerdere keramische lagen te stapelen en te binden, elk gegraveerd met geleidende circuits (bijv. koper, zilver).Hun unieke structuur combineert de thermische efficiëntie van keramiek met de dichtheid van meerlagige ontwerpen, waardoor een leemte wordt gevuld die door traditionele PCB's in de hoogwaardige elektronica wordt achtergelaten..

Wat maakt MLC PCB's uniek?
In tegenstelling tot FR4-PCB's (glasvezel + epoxy) of eenlaagse keramische PCB's bieden MLC-PCB's:
a.Hoger warmtegeleidingsvermogen: verplaatsen van warmte 100×600x sneller dan FR4, waardoor oververhitting van componenten wordt voorkomen.
b.Wider temperatuurbereik: betrouwbaar werken van -200°C (luchtvaart) tot 350°C (industriële ovens).
c.Minder dielectriciteitsverlies: handhaving van de signaalintegrititeit bij frequenties tot 100 GHz (kritisch voor 5G mmWave).
d. Compacte dichtheid: stapel 4 ∼20 keramische lagen met microvias (50 ∼100 μm diameter) om meer circuits in kleine ruimtes te plaatsen.

Belangrijkste voordelen per bedrijfstak
MLC-PCB's kunnen problemen oplossen die de traditionele PCB's niet kunnen.

Materiaalselectie voor MLC-PCB's: aluminium vs. aluminiumnitride
De prestaties van MLC-PCB's beginnen bij de keuze van het substraatmateriaal.Elk heeft unieke eigenschappen die zijn afgestemd op specifieke toepassingen.

Een vergelijking van de materialen

Hoe het juiste keramische materiaal te kiezen
a.Kies Alumina indien: u een kosteneffectieve oplossing nodig heeft voor toepassingen met een gemiddelde temperatuur (bijv. LED-drivers, auto-sensoren met een laag vermogen) waarbij een warmtegeleidbaarheid van 20-30 W/mK voldoende is.
b.Kies aluminiumnitride als: u ontwerpt voor scenario's met een hoog vermogen (bijv. EV-aandrijflijnen, ruimtevaartradar) waarvoor een maximale warmteafvoer (170~200 W/mK) en temperatuurweerstand vereist zijn.
c.Vermijd FR4 indien: Uw toepassing 130°C overschrijdt of een signaalintegratie boven 10 GHz vereist.

Voorbereiding van materiaal: van poeder tot prevorm
Voor de vervaardiging worden keramische materialen strikt voorbereid om hun gelijkheid en kwaliteit te waarborgen:
1.Poederverwerking: Alumina/AlN-poeders worden tot een fijne deeltjesgrootte (1-5 μm) gemalen om later een dichte sintering te garanderen.
2- Toevoeging van bindmiddelen: poeders worden gemengd met organische bindmiddelen (bijv. polyvinylbutyral) en oplosmiddelen om een viskeuze “slurry” te maken voor het gieten van tape.
3Tape Casting: De slurry wordt verspreid over een dragerfilm (bijv. PET) met behulp van een doctor blade, waardoor dunne, uniforme keramische vellen (50 ‰ 200 μm dik) worden gevormd.
4.Punching/Cutting: gedroogde platen worden gesneden tot de gewenste PCB-grootte (bijv. 100x150 mm) en met afstelgaten geperst voor een nauwkeurige stapeling.

Critische stap: De zuiverheid van het poeder wordt getest met behulp van röntgenfluorescentie (XRF) om ervoor te zorgen dat er geen verontreinigende stoffen zijn, zelfs 0,5% ijzer kan de thermische geleidbaarheid met 10% verminderen.

Stap-voor-stap MLC PCB-productieproces
MLC-PCB-productie is een nauwkeurig gedreven reeks van 7 stappen, die elk gespecialiseerde apparatuur en strenge procescontrole vereisen.Onvolledige sintering) kan het bord nutteloos maken.

1Voorbereiding van het substraat: creëren van uniforme keramische platen
De basis van MLC-PCB's zijn keramische platen van hoge kwaliteit.
a.Diktecontrole: met behulp van een lasermicrometer wordt de dikte van de plaat gecontroleerd (tolerantie ± 2 μm) om een consistente laagstapeling te garanderen.
b.Dichtheidstests: Willekeurige monsters worden gebakken om bindstoffen te verwijderen en gewogen om de poederconcentratie te verifiëren.
c.Oppervlakte reiniging: de vellen worden met isopropylalcohol afgeveegd om stof te verwijderen, wat in latere stappen luchtgapingen kan veroorzaken.

2. Layer Stacking & Lamination: Binding van keramische lagen
Het stapelen brengt keramische platen met geleidende patronen op één lijn om de meerlagige structuur te vormen.

Belangrijke stappen bij het stapelen:
a.Screenprinting: geleidende pasta (koper, zilver of goud) wordt op keramische vellen gescreend om circuitsporen, pads en via pads te maken.(cp) om een scherpeEen uniforme lijn.
b.Alignment: de platen worden gestapeld met behulp van optische alignment systemen (± 5 μm nauwkeurigheid) die overeenkomen met de alignment gaten eerder geperst.
c.Laminatie: de stapelde verzameling wordt in een vacuümlamineerder geperst bij een temperatuur van 70°C tot 100°C en een druk van 10°20 MPa.

Critische laminatiefactoren:

3Door middel van boorwerk en metallisering van gaten: verbinding van lagen
Vias zijn kleine gaten die circuits over lagen verbinden.
a.Laserboren: UV-lasers (golflengte 355 nm) boren microvias (50 ‰ 100 μm diameter) met een nauwkeurigheid van ± 5 μm. Deze methode is ideaal voor ontwerpen met een hoge dichtheid (bijv. 5G-modules).
b.Puncing: Met mechanische ponsen worden grotere vias gecreëerd (200-500 μm) voor goedkope toepassingen (bijv. LED-drivers).
Na het boren:
c. Afschimming: met een plasmabehandeling wordt residuele bindstof via de wanden verwijderd om de metaaladhesie te waarborgen.
d.Metallisering: Vias worden gevuld met geleidende pasta (zilver of koper) of bekleed met elektroless koper (dikte 0,5 μm) om elektrische wegen tussen lagen te creëren.

4Metallisatie en circuitpatronen: het creëren van geleidende paden
Er worden geleidende lagen toegevoegd om functionele circuits te vormen.
a.Screenprinting: meestal voor MLC-PCB's wordt geleidende pasta gedrukt op keramische platen om sporen (50 ‰ 100 μm breedte) en pads te vormen. De pasta wordt bij 120 °C gedroogd om oplosmiddelen te verwijderen.
b.Spuiten: voor toepassingen met hoge frequentie (bv. radar) wordt met een vacuümsysteem een dunne laag koper (1μ5 μm) op keramische platen gespuit.Sputtering zorgt voor een betere hechting en signaalintegrititeit dan schermdruk, maar is duurder.

Kwaliteitscontrole: Een geautomatiseerd optisch inspectie-systeem (AOI) controleert de breedte van de sporen, de uitlijning van de pads en de pastedekking.

5. Sinteren: Verdichten van de keramische structuur
Sinteren is de "make-or-break" stap die de gestapelde, met organische stoffen gevulde assemblage transformeert in een dichte, keramische PCB.
a.Verwijderen van organische bindmiddelen (afbrandfase: 200°C tot 400°C).
b. Fuseer keramische deeltjes tot een vaste, dichte structuur (sinterfase: 1600 ∼ 1800 °C voor aluminium; 1700 ∼ 1900 °C voor AlN).
c. verbinding van geleidende lagen met het keramische substraat.

Sintering van de belangrijkste resultaten:

Critische controle: De sinteroven gebruikt een geprogrammeerde temperatuurrampe (5°C/min) om scheuren te voorkomen.

6Oppervlakteafwerking: betrouwbaarheid en soldeerbaarheid verbeteren
Na sintering wordt het MLC-PCB onderworpen aan oppervlaktebehandelingen om het voor te bereiden op de assemblage van de onderdelen:
a.planarisatie: de bovenste/onderste oppervlakken worden gemalen met diamant slijpstoffen om een vlakheid van ±5 μm te bereiken die cruciaal is voor de plaatsing van een op het oppervlak gemonteerd onderdeel (SMC).
b.Oppervlaktebeplating: op pads wordt een dunne laag nikkel (510 μm) en goud (0,10,5 μm) of ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) aangebracht. Dit verbetert de lasbaarheid en voorkomt oxidatie.
c. Lasermarkering: een glasvezellaser gravert onderdelennummers en batchcodes op het PCB voor traceerbaarheid.

Vergelijking van de oppervlakteafwerking van MLC-PCB's:

7Finale montage en testen: Validering van de prestaties
De laatste stap is het monteren van componenten en het controleren van de functionaliteit van de PCB's:
1.Componentplacement: SMC's (bv. weerstanden, condensatoren, IC's) worden geplaatst met pick-and-place machines (± 10 μm nauwkeurigheid).
2.Reflow Soldering: het PCB wordt verwarmd in een reflowoven (piektemperatuur: 260°C voor loodvrij solderen) om soldeerpasta en bindingselementen te smelten.
3Wassen: door water te reinigen worden vloeistofresidu's verwijderd die corrosie kunnen veroorzaken.
4.Functioneel testen: het PCB wordt getest op elektrische continuïteit, impedance (± 1Ω voor 50Ω ontwerpen) en signaalintegrititeit (met behulp van een VNA voor hoogfrequente boards).
5Omgevingsonderzoek: voor toepassingen met een hoge betrouwbaarheid worden PCB's onderworpen aan thermische cyclussen (-40 °C tot +150 °C, 1000 cycli) en trillingsonderzoek (10 ‰ 2000 Hz, versnelling 10G) om duurzaamheid te garanderen.

Kwaliteitscontrole: voorkoming van gebreken in MLC-PCB's
MLC-PCB's worden gebruikt in veiligheidskritische toepassingen (bijv. EV BMS, ruimtevaartradar), zodat kwaliteitscontrole (QC) in elke stap van de productie is ingebed.

1. QC van grondstoffen: vroegtijdige opsporing van problemen
a.Poederzuiverheid: XRF-analyses zorgen ervoor dat verontreinigingen < 0,1% zijn, zelfs kleine hoeveelheden ijzer kunnen de thermische geleidbaarheid verminderen.
b.Binders consistentie: door middel van Fourier-transform infrarood (FTIR) spectroscopie wordt de samenstelling van het bindmiddel geverifieerd om problemen met het krimpen van het sinteren te voorkomen.
c. Uniformiteit van het plaatje: een laserprofiler controleert de dikte van het keramische plaatje (± 2 μm) en de oppervlakte ruwheid (Ra < 0,5 μm) om laminatiegaten te voorkomen.

2In-process QC: Middenproductie-defecten stoppen
a.Layer Alignment: optische uitlijningssystemen (nauwkeurigheid ± 5 μm) controleren gestapelde lagen ◄ een onjuiste uitlijning > 10 μm leidt tot een herbewerking.
b.Via-kwaliteit: röntgenonderzoek (resolutie van 20 μm) bevestigt via een vulling dat leegtes > 10% van het via-volume worden afgewezen.
c.Sinterdichtheid: het principe van Archimedes meet keramische dichtheid·dichtheid < 95% van de theoretische waarde geeft onvolledige sintering aan.

3. Finale QC: Validering van de prestaties van eind tot eind
a.Elektrische tests: met vliegende proeftoetsers wordt gecontroleerd of er openingen/kortsluitingen (100% dekking) en impedantiestabiliteit (±1Ω) zijn.
b.Thermische test: een laserflitsanalysator meet de warmtegeleidbaarheid, waarden < 90% van de specificatie wijzen op defecten.
c.Mechanische tests: buigsterkteproeven (volgens ASTM C1161) zorgen ervoor dat het PCB bestand is tegen handhaving.
d.Testen van betrouwbaarheid: versnelde levensduur (ALT) simulateert 10 jaar gebruik (bijv. 1000 thermische cycli) om de prestaties op lange termijn te voorspellen.

Gegevenspunt: Strenge QC vermindert de MLC-PCB-defectcijfers tot < 0,1% voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen.

MLC-PCB-toepassingen en toekomstige trends
MLC-PCB's zijn onmisbaar in industrieën waar prestaties, betrouwbaarheid en temperatuurbestendigheid niet onderhandelbaar zijn.

Belangrijkste toepassingen per bedrijfstak

Toekomstige trends in de vorming van MLC-PCB's
1.Miniaturisatie en hogere dichtheid:De vraag naar kleinere IoT-apparaten en 5G-modules zorgt voor MLC-PCB's met meer dan 20 lagen en microvias < 50 μm – mogelijk gemaakt door geavanceerde laserboring en dunne keramische platen (50 μm).
2.groene productie: laagenergetisch sinteren (met behulp van magnetronen in plaats van traditionele ovens) vermindert het energieverbruik met 40%.
3.Nieuwe keramische materialen: Siliciumcarbide (SiC) en boronnitride (BN) keramiek komen naar voren. SiC biedt 300 W/mK thermische geleidbaarheid (beter dan AlN) voor ultra-hoge vermogen EV's.
4Ingebedde componenten: passieve componenten (resistoren, condensatoren) zijn ingebed in keramische lagen om ruimte te besparen.

FAQ: Veelgestelde vragen over MLC-PCB's
1Waarom zijn MLC PCB's duurder dan FR4 PCB's?
MLC-PCB's kosten 5 ‰ 10 keer meer dan FR4 vanwege:
a.Specialistische materialen (alumina/AlN kost 10x meer dan FR4).
b.Precisieproductie (laserboren, vacuümsinteren).
c.Strenge QC (röntgenfoto's, thermische testen).
Hun langere levensduur (10x ten opzichte van FR4) en lagere onderhoudskosten maken ze echter kosteneffectief voor toepassingen met een hoge betrouwbaarheid.

2Kunnen MLC-PCB's voor specifieke toepassingen worden aangepast?
Ja  Aanpassingsmogelijkheden:
a. Materiaalselectie (alumina voor de kosten, AlN voor de hoge hitte).
b.Aantal lagen (4 ∼20 lagen).
c. Via grootte (50 ‰ 500 μm).
d.Verdekking van het oppervlak (ENIG voor de luchtvaart, onderdompeling zilver voor de automobielindustrie).
e. Inbouw van componenten (voor miniaturisatie).

3Wat is de typische doorlooptijd voor MLC-PCB's?
De doorlooptijden variëren afhankelijk van de complexiteit:
a.Prototypes (1 ‰ 10 eenheden): 2 ‰ 4 weken (inclusief sinteren en testen).
b.Kleine partijen (100-500 eenheden): 4-6 weken.
c.Grote partijen (1000+ eenheden): 6−8 weken.
De doorlooptijden zijn langer dan die van FR4 (1·2 weken) vanwege het sinterproces, dat 2·3 dagen duurt.

Conclusie: MLC-PCB's zijn de ruggengraat van de volgende generatie elektronica
Meerlagige keramische PCB's zijn niet alleen een “hoge prestaties” alternatief voor traditionele PCB's “ze zijn een noodzaak voor de meest veeleisende elektronische toepassingen.Hun unieke combinatie van warmtegeleiding, temperatuurbestandheid en signaalintegriteit maakt innovaties mogelijk in EV's, 5G, ruimtevaart en medische apparaten die ooit onmogelijk waren.

Het productieproces van MLC-PCB's, van materiaalvoorbereiding en laagstapeling tot sintering en QC, vereist precisie, gespecialiseerde apparatuur en een focus op kwaliteit.van zuiverheidscontroles van poeder tot thermische tests, is ontworpen om de betrouwbaarheid te garanderen in veiligheidskritische omgevingen.

Als de elektronica-industrie zich ontwikkelt naar een hoger vermogen, hogere frequentie en kleinere vormfactoren, zullen MLC-PCB's een nog grotere rol spelen.en nieuwe keramische materialen zullen hun gebruik uitbreiden naar IoT, draagbare apparaten, en ultra-hoge-power EV's.

Voor ingenieurs en kopers is het begrijpen van MLC-PCB-productie de sleutel tot het selecteren van de juiste technologie voor hun projecten.Je kunt MLC PCB's gebruiken om elektronica te bouwen die veiliger is.De toekomst van de hoogwaardige elektronica is keramisch en MLC-PCB's staan voorop.