Keďže elektronické výrobky prechádzajú neustálou optimalizáciou a modernizáciou, neustále sa logicky zlepšujú aj dosky s plošnými spojmi, na ktorých sú uložené všetky ich komponenty. Zavedenie keramických dosiek plošných spojov preto patrí k výraznému pokroku vo výkone a fungovaní v porovnaní s tradičnými doskami zo sklenených vlákien alebo FR-4 a inými kovovými plátovanými doskami vyrobenými z medi a hliníka.

Tak ako všetko, aj dosky s plošnými spojmi s keramickými substrátmi majú svoje výhody aj nevýhody, pričom výhody výrazne prevažujú nad nevýhodami.

Výhody keramických dosiek plošných spojov

Vysoká stabilita

Výrobcovia vyrábajú bežné dosky s plošnými spojmi lepením medenej fólie na podkladový materiál. Materiál substrátu môže byť z rôznych materiálov, ako je fenolová živica alebo FR-3, sklenené vlákna alebo FR-4, PTFE, medená báza, hliníková báza, kompozitná keramika a iné. Spojovací materiál je zvyčajne epoxidový alebo fenolový.

Deformáciu PCB môže v rôznej miere spôsobiť niekoľko faktorov. Tieto faktory môžu byť chemickej povahy, tepelné namáhanie, nesprávne výrobné procesy a iné faktory súvisiace s výrobou PCB. Asymetrická hrúbka medi a lepenie na dvoch stranách substrátu počas výroby medeného plátu môže tiež viesť k deformácii dosky.

V prípade keramickej DPS výrobcovia spájajú medený obvod so základným materiálom pomocou magnetrónovej alebo vákuovej technológie rozprašovania. Tým sa vytvorí veľmi silná spojovacia sila, ktorá zabraňuje ľahkému odlepeniu medenej fólie. Keramické dosky sú preto veľmi stabilné a spoľahlivé.

Vyššia prúdová priepustnosť

V porovnaní s bežnými doskami s plošnými spojmi vyrobenými zo skleneného epoxidu majú keramické dosky podstatne vyššiu tepelnú vodivosť. Preto môžu keramické dosky účinne odvádzať teplo generované medenými stopami prenášajúcimi vysoké prúdy. Napríklad pri keramickej doske s medenou stopou s rozmermi 1 x 0,3 mm, ktorá prenáša prúd 100 A, sa teplota zvýši približne o 17 °C. Iná keramická doska s medenou stopou 2 x 0,3 mm, ktorá prenáša rovnaký prúd 100 A, vykazuje nárast teploty len o približne 5 °C.

Vysoká tepelná vodivosť

V porovnaní s oxidom hlinitým, ktorého tepelná vodivosť sa pohybuje v rozmedzí 12 - 38 W/m.K, a nitridom hliníka s tepelnou vodivosťou v rozmedzí 170 - 230 W/m.K, môže tepelná vodivosť keramického substrátu dosiahnuť približne 230 W/m.K v závislosti od zloženia materiálu a spôsobu prípravy.

Súčiniteľ tepelnej rozťažnosti

V závislosti od vysokej pevnosti spojenia sa tepelný koeficient rozťažnosti keramických substrátov viac približuje koeficientu rozťažnosti medi.

Nízky tepelný odpor

Keramické substráty majú vysokú tepelnú vodivosť, z čoho vyplýva, že majú nízky tepelný odpor. Napríklad pre keramický substrát s rozmermi 10 x 10 mm vykazuje hrúbka 0,63 mm tepelný odpor 0,31 K/W, hrúbka 0,38 mm má tepelný odpor 0,19 K/W a hrúbka 0,25 mm vykazuje tepelný odpor 0,14 K/W.

Nízke dielektrické straty

Keramické substráty vykazujú nízke dielektrické straty, keď sú vystavené elektromagnetickému poľu. Materiál s vysokou elektrickou vodivosťou umožňuje voľný tok elektrónov pri vystavení náboju. Izolátory však vykazujú nízku elektrickú vodivosť a nízky pohyb elektrónov. Mnohé priemyselné aplikácie si vyžadujú izolant, ako sú keramické substráty, ktoré dokážu odolať vysokým úrovniam napätia bez veľkých dielektrických strát.

Nízka dielektrická konštanta

Keramické dosky sú vysoko stabilné aj v prítomnosti vysokej vlhkosti a vysokej teploty. Je to vďaka tomu, že keramické substráty majú nízku dielektrickú konštantu, ktorá umožňuje, aby doska zostala nezmenená alebo nepoškodená v extrémnych podmienkach prostredia. To znamená, že zariadenia využívajúce keramické dosky vykazujú vyššiu spoľahlivosť, lepšiu kvalitu a zvyšujú bezpečnosť.

Vysoká dielektrická pevnosť

Keramické substráty vydržia vysoké elektrické napätie skôr, ako sa poškodia. To je oveľa vyššie, ako vydržia bežné materiály dosiek plošných spojov. Keramické substráty tiež v porovnaní s inými materiálmi dokážu odolávať vysokým napätiam dlhší čas bez toho, aby sa porušili. To robí z keramických substrátov oveľa lepšie izolačné materiály.

Vysoký objemový odpor

Ide o mieru toho, ako silno dokáže materiál odolávať toku elektrického prúdu. V porovnaní s bežnými materiálmi PCB majú keramické substráty výrazne vysoký objemový odpor aj pri zvýšených teplotách. To je veľmi dôležitá vlastnosť, pretože sa prejavuje ako ESD alebo elektrostatický výboj, ktorý chráni citlivé komponenty namontované na doske pred ESD.

Vysoká odolnosť voči kozmickému žiareniu

Keramické dosky plošných spojov dokážu výrazne odolávať žiareniu kozmického žiarenia. Táto vlastnosť nemusí byť významná pre zariadenia pracujúce na zemskom povrchu alebo v jeho blízkosti, ale pre letecké a kozmické zariadenia je to veľmi dôležité. Vo vesmíre je totiž vystavená vyšším úrovniam kozmického žiarenia. Tam, kde kozmické žiarenie môže poškodiť bežné PCB, ponúkajú keramické PCB podstatne lepšiu možnosť.

Nevýhody keramických dosiek plošných spojov

Vysoké náklady

Hoci náklady na keramickú dosku sú vyššie ako na bežnú dosku rovnakej veľkosti, pomer nákladov a výkonu je v prípade keramickej dosky plošných spojov je oveľa nižší. Napríklad, keďže životnosť keramickej DPS je podstatne vyššia ako životnosť bežnej dosky, keramická doska si bude vyžadovať oveľa menej výmen.

Vysoká krehkosť

Keramické dosky sú v porovnaní s bežnými doskami s plošnými spojmi oveľa krehkejšie. Preto si keramické dosky vyžadujú lepšie a opatrnejšie zaobchádzanie. Napríklad pri montáži vo vnútri zariadenia musí obsluha dbať na to, aby na keramickú dosku nevyvíjala neprimeraný tlak, ktorý by mohol spôsobiť jej skrútenie, či prasknutie, čím by sa doska trvale poškosila. Preto má väčšina keramických dosiek malé, alebo veľmi malé rozmery.

Nízka dostupnosť

Nie veľa výrobcov dodáva tento typ keramických dosiek a to najmä z ohľadom na zložitosť ich výrobného procesu. Táto nízka dostupnosť preto prispieva k vyššej cene dosiek.

Výrobný proces

Tradičné metódy výroby keramických substrátov možno rozdeliť na štyri typy: HTCC, LTCC, DBC a DPC.

1. Metóda prípravy HTCC (high temperature co-fired) vyžaduje teplotu nad 1300 °C, ale vzhľadom na výber elektródy sú náklady na prípravu pomerne vysoké.
2. Metóda LTCC (low temperature co-firing) si vyžaduje kalcináciu pri teplote približne 850 °C, ale presnosť obvodu je nízka a tepelná vodivosť je nízka.
3. DBC vyžaduje vytvorenie zliatiny medzi medenou fóliou a keramikou a teplota kalcinácie musí byť prísne kontrolovaná v rozsahu teplôt 1065 - 1085 °C. Keďže DBC vyžaduje hrúbku medenej fólie, vo všeobecnosti nemôže byť menšia ako 150 - 300 mikrónov. Preto je pomer šírky vodiča k hĺbke takýchto keramických dosiek plošných spojov obmedzený.
4. Metódy prípravy DPC zahŕňajú vákuové nanášanie, mokré nanášanie, expozíciu a vyvolávanie, leptanie a iné procesné väzby, takže cena jej výrobkov je pomerne vysoká. Okrem toho, pokiaľ ide o spracovanie tvaru, dosky DPC 1800 z keramických vlákien sa musia rezať laserom. Tradičné vŕtacie a frézovacie stroje a dierovacie stroje ich nedokážu presne spracovať, takže sila spojenia a šírka čiary sú presnejšie.

Záver

Keramické dosky sú vďaka svojim výhodám čoraz obľúbenejšie v aplikáciách, ako sú komponenty solárnych panelov, vysoko výkonné elektronické moduly, vysokofrekvenčné spínané zdroje, automobilová elektronika, polovodičové relé, vysoko výkonné LED osvetlenie, letecká a vojenská elektronika a komunikačná elektronika.