Quel est le processus de fabrication des circuits imprimés en céramique?

Processus de fabrication de PCB en céramique

Les cartes de circuits imprimés en céramique sont des composants électroniques hautes performances caractérisés par une résistance à haute température, haute fréquence, haute tension, et haute fiabilité. Ils sont largement utilisés dans l'aérospatiale, militaire, télécommunications, et d'autres champs. Ce qui suit décrit le processus de fabrication typique des PCB en céramique.

1. Préparation des matières premières

Les performances des PCB en céramique dépendent fortement de la pureté, distribution granulométrique, et stabilité chimique du substrat en poudre céramique. Donc, la première étape est la sélection et le traitement minutieux des matériaux de base.

Composition des matières premières:

• Poudres céramiques: comme l'oxyde d'aluminium (Al₂O₃), nitrure d'aluminium (Aln), oxyde de zirconium (ZrO₂), oxyde de magnésium (MgO), avec une pureté dépassant 99%;

• Liants organiques: comme le PVA (alcool polyvinylique), polyéthylèneglycol, utilisé pour la reliure temporaire;

• Solvants et additifs: utilisé pour ajuster la fluidité et la formation du film, y compris l'éthanol, acétone, butanone, dispersants, etc..

Flux de processus:
Sélection des matières premières en céramique → broyage et mélange à billes → désaération sous vide → séchage et granulation → stockage pour utilisation

Contrôler la mise au point:

• Taille des particules contrôlée entre 0.5 à 3 µm;

• Répartition uniforme pour éviter les défauts de frittage comme la porosité ou les fissures;

• Contrôle strict de l'humidité et des impuretés pour éviter les bulles de gaz lors du frittage.

2. Impression de boue céramique ou moulage par stratification

La poudre céramique mixte, liant organique, et la suspension de solvant est imprimée sur des substrats en céramique pour former les modèles de circuits et les emplacements de montage des composants requis. La méthode de formage varie selon les différents types de PCB en céramique:

• UN. Impression sur couche épaisse/couche mince (pour panneaux céramiques monocouches):
  La pâte céramique ou conductrice est imprimée sur le substrat par sérigraphie ou impression à jet d'encre;
  Modèles fonctionnels comme les circuits, coussinets, couches capacitives, et des motifs inductifs se forment.

• B. Stratification de ruban vert (pour LTCC/HTCC):
  Les poudres de céramique sont mélangées “bandes vertes” et laminé par pressage à chaud pour former des structures multicouches;
  Des circuits conducteurs sont imprimés sur chaque couche, avec des vias créés pour établir des connexions électriques.

Équipement de base:

• Sérigraphes automatiques

• Machines d'alignement de stratification de précision

• Presses à vide / presses isostatiques (ce dernier pour les formes complexes)

3. Séchage et pré-durcissement

Les substrats imprimés ou laminés sont placés dans un four à température contrôlée pour un séchage à basse température entre 80 et 120 °C pendant 1-2 heures.
Cette étape évapore les solvants présents dans la boue, améliorant la stabilité initiale du motif et empêchant les défauts tels que les bulles ou le délaminage lors du frittage ultérieur.

Points clés:

• Séchage uniforme avec montée en température contrôlée pour éviter l'accumulation de contraintes internes;

• Réalisé en salle blanche ou dans un environnement contrôlé pour éviter la contamination par la poussière.

4. Frittage à haute température (Densification)

C'est l'étape critique pour la formation de PCB en céramique.

Processus de frittage:

• Les plaques de céramique séchées sont placées dans un four à haute température suivant une courbe de frittage programmée;

• Les températures varient généralement de 1300 à 1650°C;

• La durée du frittage est 2-4 heures (y compris le chauffage, trempage, et phases de refroidissement);

• L'atmosphère du four peut être de l'air, azote, hydrogène, ou sous vide selon le type de céramique et la méthode de métallisation.

Résultats du frittage:

• Les grains de poudre de céramique se réorganisent, formant un continu, structure polycristalline dense;

• Les planches finales atteignent la résistance mécanique cible, stabilité dimensionnelle, conductivité thermique, et isolation électrique.

5. Métallisation des surfaces (Formation de circuits conducteurs)

Après frittage, les substrats céramiques sont isolants et nécessitent une métallisation pour déposer des couches conductrices formant les motifs de circuit.

Techniques de métallisation courantes:

6. Soudure et montage de composants

Après métallisation et modelage, les composants électroniques sont soudés sur les circuits.

Techniques courantes:

• Soudeur de reflux (Assemblage CMS)

• Soudage laser, soudage par ultrasons (pour câbles ou broches d'alimentation)

• Frittage de pâte d'argent (particulièrement adapté au montage de puces IGBT)

Caractéristiques du processus:

• Les PCB en céramique résistent aux températures élevées (>800° C), compatible avec diverses méthodes de soudage à haute température;

• Une forte liaison cuivre-céramique confère une excellente résistance aux chocs thermiques et une capacité de courant élevée.

7. Essai

Les PCB terminés sont soumis à des inspections rigoureuses, y compris:

• Tests électriques: Vérifier les connexions correctes du circuit, pas de courts-circuits ni de circuits ouverts, garantir un fonctionnement fiable avec les appareils connectés.

• Tests thermiques: Évaluer les performances de conduction thermique et de convection, crucial pour les PCB exposés à des températures élevées.

• Tests mécaniques: Appliquer le pliage, vibration, ou autres contraintes pour tester la résilience mécanique.

Qu'il soit utilisé dans les satellites, véhicules électriques, ou des dispositifs médicaux, chaque test est essentiel pour garantir un fonctionnement fiable des PCB en céramique dans les applications prévues.

8. Façonner, Coupe, et emballage

• Façonner:
  Le perçage mécanique ne convient pas à la céramique; traitement laser (UV, CO₂) est employé pour le forage, Coupes en V, rainures, et vias avec contrôle de précision.

• Nettoyage et emballage:
  Nettoyage par ultrasons à l'eau déminéralisée;
  Séchage suivi d'une mise sous vide;
  Pour les produits sensibles, des déshydratants et des sacs antistatiques sont ajoutés.