Совместно обожженная керамика представляет собой преобразующий класс материалов, который изменил ландшафт современной микроэлектронной упаковки и проектирования высокочастотных схем. Эти инженерные керамические подложки объединяют несколько слоев токопроводящих металлических дорожек и диэлектрических керамических лент в единую монолитную структуру с помощью точно контролируемого процесса совместного обжига. В отличие от традиционных печатных плат (PCB), основанных на органических ламинатах, совместно обожженные керамические подложки обеспечивают превосходное управление теплом, исключительную размерную стабильность и выдающуюся производительность в суровых условиях эксплуатации. Эта технология стала незаменимой для приложений, начиная от аэрокосмических телеметрических систем и заканчивая инфраструктурой телекоммуникаций 5G, где надежность при экстремальных тепловых и механических нагрузках является обязательным условием. Согласно отраслевым отчетам, мировой рынок совместно обожженных керамических корпусов, по прогнозам, будет расти со среднегодовым темпом роста более 7% до 2030 года, что обусловлено спросом со стороны автомобильной электроники и полупроводникового сектора.

Понимание основ совместно обжигаемой керамики начинается с осознания двух основных категорий: низкотемпературная совместно обжигаемая керамика (LTCC) и высокотемпературная совместно обжигаемая керамика (HTCC). Материалы LTCC спекаются при температурах от 850°C до 900°C, что позволяет использовать высокопроводящие металлы, такие как серебро, золото и медь, в качестве материалов внутренних электродов. Подложки HTCC, напротив, требуют спекания при температурах, превышающих 1600°C, что обуславливает необходимость применения тугоплавких металлов, таких как вольфрам и молибден. Обе технологии объединяет ключевое преимущество — создание герметичных высокоплотных межсоединений, сохраняющих электрическую целостность в многослойных структурах. Основным фактором, стимулирующим внедрение, является возможность встраивания пассивных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, непосредственно в керамическую подложку, что значительно уменьшает общий размер корпуса и улучшает целостность сигнала. Для компаний, оценивающих передовые варианты корпусирования, технология совместно обжигаемой керамики предлагает убедительное сочетание теплопроводности, механической прочности и гибкости проектирования, которое органические подложки просто не могут обеспечить.

Технология совместного обжига керамики основана на принципе одновременного уплотнения диэлектрических керамических слоев и токопроводящих металлических рисунков в ходе единого высокотемпературного цикла обжига. Такой подход исключает необходимость последовательной послойной обработки, что значительно снижает сложность производства и производственные затраты. Технология опирается на десятилетия исследований в области керамического машиностроения, уходя корнями в разработку многослойных керамических конденсаторов в 1960-х годах. В современной микроэлектронной упаковке керамические подложки, полученные методом совместного обжига, служат базовой платформой для архитектур «система в корпусе» (SiP) и многокристальных модулей (MCM). Возможность интеграции множества функций — маршрутизации сигналов, распределения питания, отвода тепла и встраивания пассивных компонентов — в единую подложку сделала керамику совместного обжига материалом выбора для высоконадежных применений. Кроме того, коэффициент термического расширения (КТР) керамических подложек может быть точно согласован с КТР кремниевых кристаллов, что снижает термомеханические напряжения при термоциклировании и увеличивает срок службы устройств.

Процесс изготовления керамики методом совместного обжига начинается с подготовки исходного слоя, который включает литье шликера из керамического порошка, органических связующих, растворителей и пластификаторов в тонкие гибкие зеленые ленты заданной толщины. Затем эти зеленые ленты вырубаются на отдельные листы, а в них механически пробиваются или лазерно сверлятся переходные отверстия для обеспечения вертикальных межслойных соединений. Следующий критический этап включает заполнение этих переходных отверстий токопроводящей пастой и трафаретную печать металлических структур — таких как линии передачи, заземляющие плоскости и контактные площадки — на каждом слое ленты с помощью высокоразрешающего трафаретного печатного оборудования. После нанесения печати на все слои они точно выравниваются, складываются в стопку и ламинируются при контролируемой температуре и давлении для формирования единой зеленой заготовки. Затем ламинированная сборка проходит контролируемый процесс удаления связующего для удаления органических компонентов, после чего следует финальный этап совместного обжига при заданной температуре спекания. На протяжении всего процесса поддержание равномерной усадки по осям X, Y и Z имеет решающее значение для сохранения размерной точности и межслойной регистрации.

Технология LTCC использует специально разработанные стеклокерамические композиты, которые могут спекаться при относительно низких температурах, обычно от 850°C до 900°C. Этот умеренный температурный диапазон совместим с высокопроводящими электродными материалами, такими как серебро, золото и сплавы серебра с палладием, которые обладают значительно меньшим электрическим сопротивлением по сравнению с тугоплавкими альтернативами. Процесс LTCC позволяет изготавливать подложки с 20–50 и более диэлектрическими слоями, каждый толщиной от 10 до 50 микрометров, что обеспечивает сверхвысокую плотность межсоединений для ВЧ- и СВЧ-приложений. Отличительной особенностью LTCC является возможность интеграции встроенных пассивных компонентов — включая конденсаторы с использованием паст с высокой диэлектрической проницаемостью и резисторы с использованием резистивных паст — непосредственно в подложку в процессе печати, что исключает необходимость в поверхностно-монтируемых дискретных компонентах. Эта возможность интеграции делает LTCC особенно привлекательной для компактных модулей беспроводной связи, радиолокационных систем и имплантируемых медицинских устройств, где пространство ограничено, а целостность сигнала имеет первостепенное значение.

Технология HTCC использует чистый глинозем (Al₂O₃) или нитрид алюминия (AlN), которые требуют обжига при температурах, превышающих 1600°C, для достижения полной плотности и механической прочности. Из-за экстремально высоких температур обжига в качестве проводниковых материалов можно использовать только тугоплавкие металлы, такие как вольфрам, молибден или марганец, которые обладают более высоким удельным электрическим сопротивлением по сравнению с серебром или золотом. Несмотря на это ограничение, подложки HTCC обеспечивают превосходную теплопроводность: глинозем — около 25 Вт/м·К, а нитрид алюминия — более 170 Вт/м·К, что делает их идеальными для мощных полупроводниковых корпусов, где критически важна эффективная теплоотдача. Механическая прочность подложек HTCC также обеспечивает отличную герметичность и устойчивость к тепловым ударам, что позволяет надежно работать в аэрокосмической отрасли, подкапотном пространстве автомобилей и при глубоководном бурении. Согласно исследованиям в области материаловедения, корпуса HTCC выдерживают тысячи тепловых циклов от -55°C до +150°C без значительной деградации — показатель производительности, который остается труднодостижимым для органических технологий корпусирования.

При оценке LTCC по сравнению с HTCC для конкретного применения инженеры должны тщательно взвесить несколько технических компромиссов, которые напрямую влияют на производительность, стоимость и технологичность. В таблице ниже приведены ключевые различия между этими двумя технологиями совместного обжига керамики, чтобы помочь в принятии обоснованных решений.

Процесс изготовления HTCC начинается с высокочистого порошка оксида алюминия или нитрида алюминия, смешанного с органическими связующими и спекающими добавками, такими как магнезия или иттрия, для контроля роста зерен при уплотнении. Керамическая суспензия отливается в виде ленты в зеленые листы, которые затем пробиваются для создания сквозных отверстий и трафаретной печатью наносятся пасты из вольфрама или молибдена для формирования токопроводящих цепей. После укладки и ламинирования зеленая сборка подвергается циклу удаления связующего при температуре примерно от 400°C до 600°C в контролируемой атмосфере, а затем спекается при 1600°C–1800°C в водородной или восстановительной среде для предотвращения окисления тугоплавких металлических проводников. Полученная подложка обладает исключительной механической твердостью — керамика на основе оксида алюминия обычно достигает твердости по Виккерсу от 15 до 18 ГПа — и почти нулевой пористостью, что обеспечивает истинную герметизацию для чувствительных полупроводниковых устройств. В мощных IGBT-модулях и GaN-усилителях мощности подложки HTCC обеспечивают путь отвода тепла, необходимый для поддержания температуры переходов ниже критических порогов, что напрямую влияет на надежность устройств и их способность выдерживать мощность. Для таких компаний, как AdceraTech, специализирующихся на передовых керамических решениях для полупроводниковой и медицинской промышленности, освоение технологии HTCC позволяет производить прочные керамические компоненты, соответствующие строгим стандартам надежности для критически важных применений.

LTCC-технология основана на использовании стеклокерамических композитных систем, таких как кальций-боросиликатные или алюмооксидно-стеклянные смеси, которые позволяют проводить спекание при температурах, совместимых с высокопроводящими металлами. Зеленая лента для LTCC изготавливается с точно контролируемыми диэлектрическими свойствами, что позволяет проектировщикам создавать подложки с заданными значениями диэлектрической проницаемости, адаптированными к требованиям ВЧ-схем. На этапе трафаретной печати наносятся токопроводящие пасты, содержащие частицы серебра или золота, для формирования линий передачи с шириной от 50 до 75 микрометров, поддерживающих высокочастотные сигналы вплоть до миллиметрового диапазона. Одним из наиболее значимых преимуществ LTCC для телекоммуникаций является возможность совместного обжига нескольких диэлектрических материалов с различной диэлектрической проницаемостью в одной подложке, что позволяет интегрировать полосовые фильтры, балуны и антенные элементы в виде встроенных структур. Бум инфраструктуры 5G ускорил внедрение LTCC: производители базовых станций используют LTCC-подложки для фазированных антенных решеток, требующих стабильных диэлектрических свойств в широком диапазоне температур и частот. Недавние исследования, опубликованные в IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, показывают, что LTCC-модули миллиметрового диапазона обеспечивают вносимые потери ниже 0,2 дБ на сантиметр на частоте 28 ГГц — показатель, критически важный для сетей следующего поколения. Чтобы узнать, как передовые керамические решения могут улучшить ваши разработки, посетитеПРОДУКЦИЯ страницу, чтобы ознакомиться с полным ассортиментом керамических изделий AdceraTech.

Интеграция технологий совместного обжига керамики LTCC и HTCC представляет собой смену парадигмы в подходе электронной промышленности к проектированию подложек, плотности упаковки и надежности систем. LTCC превосходно подходит для приложений, требующих высокочастотных характеристик, интеграции пассивных компонентов и компактных форм-факторов, что делает ее незаменимой для телекоммуникаций, устройств Интернета вещей и медицинской электроники. HTCC, благодаря исключительному управлению тепловыделением и механической прочности, остается золотым стандартом для мощных полупроводниковых корпусов, аэрокосмической электроники и автомобильных силовых модулей, работающих в экстремальных условиях. Дальновидные производители все чаще применяют гибридную стратегию, объединяя подложки LTCC и HTCC в одной системе, чтобы использовать сильные стороны каждой технологии там, где они наиболее эффективны. По мере того как отрасль движется к более высоким рабочим частотам, большей плотности мощности и более строгим требованиям к надежности, технология совместного обжига керамики будет продолжать развиваться с появлением новых составов материалов и передовых методов печати. Для организаций, стремящихся оставаться на переднем крае инноваций в области керамической упаковки, путь начинается с понимания этих основополагающих технологий и партнерства с опытными производителями, способными предложить индивидуальные решения. Чтобы узнать больше о возможностях AdceraTech в области современной керамики, посетитеСила предприятия страницу для подробного ознакомления с их производственными процессами и системами качества, сертифицированными по ISO. По конкретным вопросам о продуктах из совместно обжигаемой керамики для вашего следующего проекта, СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ страница предоставляет прямой доступ к их команде инженерной поддержки.

Эта статья подготовлена командой технического контента AdceraTech, опирающейся на обширный опыт в области обучения проектированию печатных плат, передовых технологий керамических материалов и микроэлектронной упаковки. Обладая многолетним опытом, соединяющим академические исследования и промышленное применение, наши авторы стремятся предоставлять точные и практичные технические рекомендации инженерам и специалистам по закупкам. Для получения дополнительной информации об инновациях в производстве керамики, ознакомьтесь сНОВОСТИ раздел и ЗАГРУЗКИ библиотеку ресурсов для технических документов и документации по продуктам.

Вы в настоящее время оцениваете керамические подложки совместного обжига для вашего следующего поколения продуктов? AdceraTech приглашает вас отправить ваши проектные спецификации и требования к производительности для профессиональной технической оценки. Наша инженерная группа рассмотрит параметры вашего применения, включая рабочую частоту, целевые показатели рассеивания мощности, условия окружающей среды и ограничения по размерам, и предоставит индивидуальные рекомендации по оптимальному решению для керамических подложек. Независимо от того, требует ли ваш проект возможностей высокочастотной интеграции LTCC или управления тепловыделением высокой мощности HTCC, наша команда обладает опытом, чтобы направлять ваш процесс принятия решений. Посетите нашГЛАВНАЯ страницу, чтобы узнать больше о миссии и подходе нашей компании, или перейдите в О НАС для подробного обзора наших возможностей в области НИОКР и отраслевых сертификатов с 2017 года.