Keramické desky plošných spojů

Keramické desky plošných spojů jsou zcela jiné, než tištěné spoje, které tvoří základ téměř každého elektronického zařízení, v takových se používá materiál FR-4 (epoxidová pryskyřice vyztužená skelnými vlákny). Je univerzální, levný a vhodný pro většinu aplikací. Existují však oblasti, kde FR-4 nepostačuje – zejména při vysokých teplotách, vysokém výkonu nebo v náročném prostředí. V takových případech se využívají keramické PCB, jejichž vlastnosti dalece překračují možnosti běžných laminátových materiálů.

Materiálové složení a vlastnosti keramické desky

Keramické desky se vyrábějí z technických keramik, mezi nejčastější patří:

• Oxid hlinitý (Al₂O₃) – běžně používaný, relativně dostupný materiál s dobrou mechanickou pevností.
• Nitrid hlinitý (AlN) – vyniká vysokou tepelnou vodivostí a stabilní dielektrickou konstantou.
• Beryliová keramika (BeO) – mimořádně účinný vodič tepla, avšak toxická při opracování, používá se tedy omezeně.
• Nitrid boru, karbid křemíku a další – specializované materiály pro velmi náročné aplikace.

Typy keramických desek podle technologie

• HTCC (High-Temperature Co-Fired Ceramic)
  • Vrstvy keramiky se vypalují při teplotách až kolem 1600 °C.
  • Používají se kovy jako wolfram (W) nebo molybden (Mo), které tak vysoké teploty vydrží.
  • Výsledkem je velmi robustní a odolná deska.

• LTCC (Low-Temperature Co-Fired Ceramic)
  • Vypaluje se při nižších teplotách (≈ 850 °C).
  • Díky tomu lze použít i stříbro nebo měď, které mají lepší vodivost než wolfram.
  • LTCC umožňuje integrovat pasivní součástky (filtry, indukčnosti) přímo do keramického substrátu.

• DBC (Direct Bonded Copper)
  • Silná měděná fólie je přímo navázána na keramický substrát (Al₂O₃, AlN).
  • Typické pro výkonové moduly (např. IGBT v elektromobilech).
  • Kombinace výborného odvodu tepla a vysoké proudové zatížitelnosti.

Klíčové vlastnosti keramických PCB

1. Tepelná vodivost – keramika odvádí teplo až 100× účinněji než FR-4, což umožňuje integraci výkonových součástek bez nutnosti masivního chlazení.
2. Dielektrické parametry – stabilní hodnota permitivity (Dk) i při vysokých frekvencích, vhodné pro mikrovlnné a RF aplikace.
3. Odolnost vůči teplotě a prostředí – keramické desky vydrží teplotní šoky, vibrace a agresivní chemické prostředí.
4. Nízký koeficient tepelné roztažnosti (CTE) – minimalizuje mechanické pnutí mezi deskou a pájenými součástkami.
5. Keramika umožňuje zabudovat pasivní součástky přímo do struktury desky (například rezistory, kapacitní vrstvy, filtry). To vede k miniaturizaci a zvýšení spolehlivosti – méně spojů = méně potenciálních poruch.

Technologie výroby

Výroba keramických PCB se zásadně liší od laminátových desek FR-4:

1. Páskování – keramický prášek se smíchá s pojivy a nanáší do tenkých vrstev (pásků).
2. Vytváření otvorů (vias) – do jednotlivých vrstev se vysekají nebo vyvrtají průchozí otvory.
3. Nanášení vodivých cest – používá se vodivá pasta na bázi kovů (stříbro, zlato, měď), která se nanáší sítotiskem.
4. Laminace vrstev – jednotlivé pásky se naskládají do požadovaného vrstvení.
5. Vypalování – celý celek se vypaluje při teplotách kolem 1000 °C, čímž keramika získá výslednou mechanickou pevnost a elektrické parametry.

Srovnání s FR-4

Oblasti použití

Keramické PCB nacházejí uplatnění tam, kde jsou extrémní podmínky nebo vysoké nároky na stabilitu:

• Výkonová elektronika – měniče, spínané zdroje, moduly IGBT, výkonové LED.
• Automobilový a letecký průmysl – řídicí jednotky motorů, senzory, elektronika v prostředí s vibracemi a vysokými teplotami.
• Telekomunikace a kosmonautika – vysokofrekvenční obvody, satelitní komunikace, radarové systémy.
• Lékařská technika – implantáty, diagnostická zařízení vyžadující sterilní a odolné materiály.