Optimalisatie van het ontwerp van keramische printplaten: 7 belangrijke tips voor betrouwbaarheid en kostenbesparing (2025)

Bij het ontwerpen van een keramische PCB gaat het niet alleen om het kiezen van een “hoog presterend” materiaal; het gaat om het vertalen van toepassingsbehoeften naar bruikbare details: het selecteren van de juiste keramiek voor uw thermische budget, het optimaliseren van trace routing om EMI met 40% te verminderen, of het verfijnen via ontwerp om 10.000 thermische cycli te overleven. Te veel ingenieurs stoppen bij het “kiezen van AlN” of “het gebruik van LTCC” en zien de nuances over het hoofd die een “functioneel” ontwerp veranderen in een “betrouwbaar, kosteneffectief” ontwerp.

Deze gids voor 2025 begeleidt u door het volledige optimalisatietraject voor keramische PCB's, van materiaal- en stapelselectie (de fundamentele stap) tot praktische implementatie (de details die storingen voorkomen). We geven een overzicht van zeven kritische optimalisatiestrategieën die worden gebruikt door topfabrikanten zoals LT CIRCUIT om het aantal mislukkingen met 80% te verminderen en de totale eigendomskosten (TCO) met 30% te verlagen. Of u nu ontwerpt voor EV-omvormers, medische implantaten of 5G mmWave-modules, deze routekaart helpt u veelvoorkomende valkuilen te vermijden en de prestaties van keramische PCB's te maximaliseren.

Belangrijkste afhaalrestaurants
1. Selectie is een kwestie van maken of breken: negeer de afwegingen tussen thermische geleidbaarheid en kosten (bijvoorbeeld AlN versus Al₂O₃), en u zult óf 50% te veel uitgeven, óf te maken krijgen met een uitvalpercentage van 30%.
2. Thermische details zorgen voor betrouwbaarheid: een thermische steek van 0,2 mm (vs. 0,5 mm) vermindert de hotspot-temperaturen met 25 ° C in EV-omvormers.
3. EMI-optimalisatie is niet optioneel: keramische PCB's hebben geaarde koperen gietstukken + afschermende blikken nodig om overspraak met 60% te verminderen in hoogfrequente ontwerpen.
4. Mechanische aanpassingen voorkomen scheuren: randafschuiningen (straal van 0,5 mm) + flexibele composieten verminderen keramische brosheidsgerelateerde fouten met 90% in trillingsgevoelige toepassingen.
5. Samenwerking tussen fabrikanten is van cruciaal belang: het vooraf delen van thermische simulaties voorkomt 20% van de prototypefouten (bijvoorbeeld niet-overeenkomende sinterparameters).

Inleiding: waarom de optimalisatie van het keramische PCB-ontwerp mislukt (en hoe u dit kunt oplossen)
De meeste keramische PCB-ontwerpen falen niet vanwege slechte materialen, maar vanwege ‘detailhiaten’:
a.Een ontwerper van een EV-omvormer koos voor AlN (170 W/mK) maar sloeg thermische via's over: hotspots bereikten 180°C, waardoor de soldeerverbinding kapot ging.
bEen medisch implantaatteam selecteerde biocompatibel ZrO₂, maar gebruikte scherpe bochten; spanningsconcentraties leidden ertoe dat 25% van de PCB's scheurden tijdens implantatie.
cA 5G-ingenieur gebruikte LTCC voor mmWave maar negeerde de impedantiecontrole: het signaalverlies bedroeg 0,8 dB/inch (versus het doel van 0,3 dB/inch), wat het dekkingsbereik verlamde.

De oplossing? Een gestructureerd optimalisatieproces dat selectie (materiaal, stapeling) koppelt aan implementatie (thermische via's, trace routing, productietoleranties). Hieronder verdelen we dit proces in uitvoerbare stappen, ondersteund door gegevens, tabellen en oplossingen uit de praktijk.

Hoofdstuk 1: Optimalisatie van keramische PCB-selectie – De basis voor succes
Selectie (materiaal- en stapelkeuzes) is de eerste en meest kritische optimalisatiestap. Kies het verkeerde keramiek en geen enkele detailaanpassing zal uw ontwerp redden.
1.1 Belangrijke selectiefactoren (fixeer niet alleen op thermische geleidbaarheid!)

1.2 Selectiegids voor keramisch materiaal (met toepassingsovereenkomsten)

1.3 Optimalisatie van selectie van lagenstapeling
Het opstapelen van keramische PCB's betekent niet alleen maar 'lagen toevoegen'; het gaat om het in evenwicht brengen van de thermische stroom, signaalintegriteit en kosten. Hieronder vindt u geoptimaliseerde stackups voor belangrijke toepassingen:
Voorbeeldstapels voor gerichte gebruiksscenario's

Stackup-optimalisatietip:
Voor ontwerpen met een hoog vermogen plaatst u grondvlakken direct onder de stroomsporen. Dit vermindert de thermische weerstand met 30% vergeleken met offsetvlakken. Voor RF-ontwerpen sandwich-signaallagen tussen grondvlakken (striplijnconfiguratie) om EMI met 50% te verminderen.

Hoofdstuk 2: Optimalisatie van thermisch ontwerp – Houd keramische PCB's koel en betrouwbaar
Het grootste voordeel van keramische PCB's is de thermische geleidbaarheid, maar een slecht thermisch ontwerp gaat 50% van dit voordeel teniet. Hieronder staan ​​de details die warmteafvoer maken of breken.

2.1 Berekening van de thermische weerstand (ken uw cijfers!)
Thermische weerstand (Rθ) bepaalt hoe effectief uw keramische PCB warmte afvoert. Gebruik deze formule voor keramische substraten:
Rθ (°C/W) = substraatdikte (mm) / (thermische geleidbaarheid (W/mK) × oppervlakte (m²))
Voorbeeld: AlN versus Al₂O₃ thermische weerstand

Belangrijk inzicht: de lagere Rθ van AlN verlaagt de hotspottemperatuur met 83% – cruciaal voor EV-omvormers en 5G-versterkers.

2.2 Thermische via-optimalisatie (het nummer 1 detail voor warmteverspreiding)
Thermische via's brengen warmte over van de bovenste sporen naar de onderste grondvlakken, maar hun grootte, steek en hoeveelheid zijn belangrijker dan je denkt:

Optimalisatieregels voor thermische via's:
1.Pitch: 0,2–0,3 mm voor gebieden met hoog vermogen (EV-omvormers); 0,5 mm voor ontwerpen met laag vermogen (sensoren).
2. Diameter: 0,3 mm (lasergeboord) voor AlN/LTCC; vermijd diameters <0,2 mm (risico op verstopping tijdens het galvaniseren).
3.Aantal: plaats 1 thermische via per 10 mm² heet gebied (bijvoorbeeld 25 via's voor een IGBT van 5 mm x 5 mm).

2.3 Integratie van koellichaam en interfacemateriaal
Zelfs de beste keramische PCB's hebben een koellichaam nodig voor ontwerpen van meer dan 100 W. Optimaliseer de interface om thermische gaten te elimineren:

Casestudy: thermische optimalisatie van EV-omvormers
De AlN DCB-PCB's van een fabrikant voor 800V-omvormers hadden een uitvalpercentage van 12% als gevolg van hotspots van 180 °C.

Optimalisaties geïmplementeerd:
1. 0,3 mm thermische via's (0,2 mm pitch) toegevoegd onder IGBT's.
2. Gebruikt thermisch vet (0,1 mm dikte) + een aluminium koellichaam.
3. Verhoogde koperspoorbreedte van 2 mm naar 3 mm (vermindert geleidingsverlies).
Resultaat: Hotspottemperatuur gedaald tot 85°C; Het faalpercentage daalde naar 1,2%.

Hoofdstuk 3: EMI/EMC-ontwerpoptimalisatie – Houd signalen schoon
Keramische PCB's bieden betere EMI-prestaties dan FR4, maar ze moeten nog steeds worden geoptimaliseerd om overspraak en interferentie te voorkomen, vooral in hoogfrequente ontwerpen.

3.1 Grondvlakoptimalisatie (de basis van EMI-controle)
Over een stevig grondvlak valt niet te onderhandelen, maar details zoals dekking en stiksels maken het verschil:

Vuistregel:
Voor RF/5G-ontwerpen moet de dekking van het grondvlak groter zijn dan 80%. Gebruik om de 5 mm stiksels (0,3 mm diameter) om een ​​“kooi van Faraday” rond gevoelige sporen te creëren.

3.2 Tracering voor lage EMI
Slechte trace-routing ondermijnt de natuurlijke EMI-voordelen van keramische PCB's. Volg deze details:

3.3 Optimalisatie van afscherming (voor omgevingen met hoge interferentie)
Voor 5G-, lucht- en ruimtevaart- of industriële ontwerpen voegt u afscherming toe om EMI met 60% te verminderen:

Voorbeeld: 5G MmWave EMI-optimalisatie
Een 5G-kleincelontwerp met LTCC had een signaalverlies van 0,8 dB/inch als gevolg van EMI.

Oplossingen toegepast:
1. 0,5 mm geaard koper toegevoegd rond RF-sporen.
2. Installeer een metalen afschermingsbus (gesoldeerd aan het aardvlak) over de mmWave-chip.
3. Aangepaste differentiële paarlengtes tot ± 0,1 mm.
Resultaat: Signaalverlies gedaald tot 0,3 dB/inch; uitgestraalde EMI voldeed aan de CISPR 22 Klasse B-normen.

Hoofdstuk 4: Ontwerpoptimalisatie op mechanisch gebied en betrouwbaarheid – Voorkom keramiekscheuren
Keramiek is van nature bros. Als u mechanische optimalisatie negeert, zal uw printplaat barsten tijdens montage of gebruik. Hieronder staan ​​de details die de duurzaamheid vergroten.

4.1 Rand- en hoekoptimalisatie (stressconcentraties verminderen)
Scherpe randen en hoeken fungeren als spanningsverhogers; optimaliseer ze om scheuren te voorkomen:

Optimalisatietip:
Voeg voor alle keramische PCB's een afschuining van 0,5 mm toe aan de randen en een straal van 1 mm aan de hoeken. Voor EV/luchtvaartontwerpen kunt u upgraden naar een afschuining van 1 mm (beter om met trillingen om te gaan).

4.2 Optimalisatie van flexibel keramisch composiet (voor buigbare ontwerpen)
Zuiver keramiek kan niet buigen. Gebruik ZrO₂-PI- of AlN-PI-composieten voor draagbare/implanteerbare toepassingen:

Ontwerpregel voor composieten:
Handhaaf een buigradius ≥2× de composietdikte (bijvoorbeeld 0,2 mm radius voor 0,1 mm ZrO₂-PI) om scheuren te voorkomen.

4.3 Optimalisatie van thermische cycli (overleef extreme temperaturen)
Keramische PCB's zetten/krimpen anders uit dan koper, wat spanning veroorzaakt tijdens thermische cycli. Optimaliseren om delaminatie te voorkomen:

Casestudy: Mechanische optimalisatie van ruimtevaartsensoren
Een Si₃N₄ HTCC-PCB voor satellietsensoren scheurde in 30% van de thermische cyclustests (-55°C tot 120°C).

Oplossingen toegepast:
1. Randafschuiningen van 1 mm toegevoegd.
2.Verlaagde thermische hellingssnelheid tot 5°C/min.
3. Gebruikte wolfraam-molybdeen geleiders (komt overeen met de thermische uitzettingscoëfficiënt van Si₃N₄, CTE).
Resultaat: 0% scheurvorming na 10.000 cycli.

Hoofdstuk 5: Productie-implementatie – ontwerp werkelijkheid maken
Zelfs het beste ontwerp mislukt als het niet maakbaar is. Werk samen met uw fabrikant van keramische PCB's om deze kritische details te optimaliseren:
5.1 Tolerantiecontrole (keramische PCB's zijn minder vergevingsgezind dan FR4)
De productie van keramiek vereist nauwere toleranties. Als u deze negeert, zal uw ontwerp niet passen of presteren:

Tip:
Deel 3D-modellen met uw fabrikant om toleranties te valideren. LT CIRCUIT maakt bijvoorbeeld gebruik van CAD-matching om ±0,03 mm via uitlijning te garanderen.

5.2 Prototyping en validatie (test vóór massaproductie)
Het overslaan van prototyping leidt tot 20%+ mislukkingspercentages voor massaproductie. Concentreer u op deze kritische tests:

5.3 Materiaalcompatibiliteit (vermijd incompatibele processen)
Keramische PCB's vereisen compatibele materialen. Als u bijvoorbeeld zilverpasta op HTCC gebruikt (gesinterd bij 1800 ° C), zal de pasta smelten.

Hoofdstuk 6: Casestudy – End-to-end keramische PCB-ontwerpoptimalisatie (EV-omvormer)
Laten we het allemaal samenvatten met een praktijkvoorbeeld van het optimaliseren van een AlN DCB-PCB voor een 800V EV-omvormer:

6.1 Selectiefase
a.Uitdaging: behoefte aan een warmtegeleidingsvermogen van meer dan 170 W/mK, isolatie van 800 V en een warmtegeleidingsvermogen van $3–$6/sq.in. begroting.
b.Selectie: AlN DCB (180 W/mK, 15 kV/mm diëlektrische sterkte) met een substraatdikte van 0,6 mm.
c.Stackup: Boven (2oz Cu-stroomsporen) → AlN-substraat → Onder (2oz Cu-aardvlak).

6.2 Thermische optimalisatie
a. 0,3 mm thermische via's (pitch van 0,2 mm) toegevoegd onder IGBT's van 5 mm x 5 mm (25 via's per IGBT).
c. Geïntegreerd thermisch vet (0,1 mm dikte) + een aluminium koellichaam (100 mm x 100 mm).

6.3 EMI-optimalisatie
a. Bereikte 90% grondvlakdekking met stiksels (0,3 mm diameter, 5 mm tussenruimte).
b.Geleide vermogenssporen orthogonaal ten opzichte van signaalsporen (tussenruimte van 3 mm) om overspraak te voorkomen.

6.4 Mechanische optimalisatie
a. 0,5 mm randafschuiningen toegevoegd om 10G-trillingen aan te kunnen.
b.Gebruikte gecontroleerde thermische cycli (5°C/min helling) tijdens de productie.

6.5 Resultaat
a.Hotspottemperatuur: 85°C (vs. 180°C niet geoptimaliseerd).
b.Faalpercentage: 1,2% (versus 12% niet geoptimaliseerd).
c.TCO: $35/PCB (versus $50 voor te veel gespecificeerde ZrO₂).

Hoofdstuk 7: Toekomstige trends – AI en 3D-printen transformeren het keramische PCB-ontwerp
Optimalisatie evolueert. Dit staat ons te wachten:

7.1 AI-aangedreven ontwerp
Machine learning-tools (bijv. Ansys Sherlock + AI) nu:
a. Voorspel thermische hotspots met een nauwkeurigheid van 95% (verkort de simulatietijd met 60%).
b. Automatische thermische optimalisatie via plaatsing (10x sneller dan handmatig ontwerp).

7.2 3D-geprinte keramische printplaten
Additieve productie maakt het mogelijk:
a.Complexe vormen (bijvoorbeeld gebogen AlN voor EV-batterijpakketten) met 30% minder materiaalverspilling.
b.Ingebedde thermische kanalen (0,1 mm diameter) voor 40% betere warmteafvoer.

7.3 Zelfherstellende keramiek
Microcapsules (gevuld met keramische hars) ingebed in substraten repareren automatisch scheuren, waardoor de levensduur met 200% wordt verlengd in industriële toepassingen.

Hoofdstuk 8: Veelgestelde vragen – Vragen over optimalisatie van keramische PCB-ontwerpen
Vraag 1: Hoe houd ik tijdens de selectie de balans tussen thermische geleidbaarheid en kosten?
A1: Gebruik Al₂O₃ voor ontwerpen <100W (24 W/mK, $2–$5/sq.in.) en AlN voor >100W (180 W/mK, $3–$6/sq.in.). Vermijd ZrO₂/HTCC tenzij biocompatibiliteit of stralingsbestendigheid verplicht is.

Vraag 2: Wat is de grootste fout bij het thermische ontwerp van keramische PCB's?
A2: Onvoldoende thermische via's of slechte integratie van het koellichaam. Een IGBT van 5 mm x 5 mm vereist 25+ 0,3 mm thermische via's om oververhitting te voorkomen.

Vraag 3: Kan ik FR4-ontwerpregels toepassen op keramische PCB's?
A3: Nee: keramiek heeft nauwere toleranties nodig (±0,05 mm versus ±0,1 mm voor FR4), langzamere thermische cycli en een hogere grondvlakdekking (80% versus 50%).

Vraag 4: Hoe optimaliseer ik een keramische PCB voor medische implantaten?
A4: Gebruik ZrO₂ (conform ISO 10993), 0,1 mm–0,3 mm dik, gouden geleiders en flexibele composieten voor buigbare ontwerpen. Vermijd scherpe randen (radius 1 mm).

Vraag 5: Wat is de beste manier om samen te werken met een fabrikant van keramische PCB's?
A5: Deel vroegtijdig thermische simulaties, 3D-modellen en toepassingsspecificaties (temperatuur, vermogen). LT CIRCUIT biedt DFM-beoordelingen (Design for Manufacturability) om problemen op te lossen voordat er prototypes worden gemaakt.

Conclusie: Optimalisatie is een proces (geen eenmalige stap)
Bij het optimaliseren van het keramische PCB-ontwerp gaat het niet om 'perfecte' materialen; het gaat om het koppelen van selectie (AlN vs. Al₂O₃, stackup) aan implementatie (thermische via's, trace routing, productietoleranties). De zeven stappen in deze handleiding (van materiaalkeuze tot mechanische aanpassingen) verminderen het aantal mislukkingen met 80% en verlagen de TCO met 30%, of u nu ontwerpt voor elektrische auto's, medische implantaten of 5G.

De belangrijkste afhaalmaaltijd? Stop niet bij het “kiezen van keramiek” – optimaliseer de details. Een thermische steek van 0,2 mm, een afschuining van de randen van 0,5 mm of een dekking van het grondvlak van 90% kunnen het verschil betekenen tussen een ontwerp dat faalt en een ontwerp dat meer dan 10 jaar meegaat.

Voor deskundige ondersteuning kunt u samenwerken met een fabrikant als LT CIRCUIT, die gespecialiseerd is in geoptimaliseerde keramische PCB's. Hun technische team zal u helpen de applicatiebehoeften te vertalen naar bruikbare ontwerpaanpassingen, zodat uw keramische PCB niet alleen aan de specificaties voldoet, maar deze zelfs overtreft.

De toekomst van keramisch PCB-ontwerp ligt in de details: ben jij er klaar voor om ze onder de knie te krijgen?