PCBs com Substrato Cerâmico: Insights de Especialistas e Melhores Práticas de Design
Geralmente, há uma revolução tecnológica resultando no descarte de CEM-3 e FR-4 tradicionais devido à condutividade térmica ruim. Em seu lugar, vimos demanda de mercado para placas de circuito altamente integradas com bons sistemas de dissipação (alta resistência ao calor em ambiente externo). O post de hoje dá uma visão rápida de PCB com Substrato Cerâmico.
O que é Substrato Cerâmico?
Um substrato cerâmico é um processo único de PCB com condutividade térmica de 9-20 W/m·K feito em altas temperaturas sob 250°C. Fabricantes preparam o substrato ligando diretamente folha de cobre a superfícies de nitreto de alumínio (AlN) ou alumina (Al₂O₃).
Seu desempenho elétrico e térmico o torna melhor que a maioria dos PCBs metal core na indústria de PCB.
Revestimento de cobre em alumínio
Vantagens do PCB com Substrato Cerâmico
PCB com substrato cerâmico tem várias vantagens tornando-o ideal para múltiplos produtos como:
Vantagens de Material
- Como a camada de cobre não forma camada de óxido, você pode usá-lo duravelmente em atmosfera redutora.
- Segundo, tem resistência forte à erosão química e pacotes versáteis/herméticos que previnem absorção de água.
- Terceiro, tem alta confiabilidade em aeroespacial, é resistente a raios cósmicos e não tem ingredientes orgânicos.
- Então, você pode alcançar montagem de alta densidade com baixa resistência térmica.
- Também, tem baixa perda em alta frequência e bom desempenho de isolamento elétrico, podendo suportar ambiente externo rigoroso.
- Além de usar alta temperatura durante sua soldagem, um substrato cerâmico tem boa soldabilidade.
- Adicionalmente, você pode operá-lo com segurança em temperaturas até 350°C.
- É um filme metálico de resistência elétrica mais baixa e mais forte (PCB cerâmico de alumina).
- Além disso, placas de circuito cerâmico são custo-eficientes e ideais para aplicações pesadas.
- Finalmente, tem coeficiente de expansão térmica mais compatível e condutividade térmica mais alta.
Vantagens Técnicas
Tecnologias LAM e DPC estão gradualmente substituindo placas tradicionais como tecnologias DBC e LTCC por muitas razões.
- Por exemplo, tecnologia de perfuração a laser fornece grande valor de aplicação pois é precisa, rápida e eficiente.
- Então, existem boas propriedades elétricas e alta força de ligação entre a camada de circuito cerâmica e metálica.
- Também há conexão through-hole que dá aos clientes solução de produto customizada.
Metalização through-hole em placa de circuito eletrônico
Quais são os Tipos de Substratos Cerâmicos?
Segundo o Material
Al₂O₃
Nosso primeiro substrato é de longe o mais comumente utilizado na indústria eletrônica. Razões por trás de sua popularidade são suas propriedades elétricas, térmicas e mecânicas tornando-o quimicamente estável e de alta resistência comparado a outras cerâmicas de óxido. Al₂O₃ também é rico em matérias-primas.
Estrutura de óxido de alumínio
Aplicações: O produto cerâmico é ideal para fabricação de várias formas diferentes.
AlN (Placa cerâmica de Nitreto de Alumínio)
Placa de circuito impresso baseada em cerâmica AlN tem dois recursos significativos que valem conhecer:
- Coeficiente de expansão compatível com Si.
- Alta condutividade térmica.
No entanto, tem desvantagens como ser mais caro que Al₂O₃ e até uma fina camada de óxido superficial afetando sua condutividade térmica. Felizmente, você pode controlar o processo e materiais durante fabricação de substrato AlN para obter produto com boa consistência. Também, avanços tecnológicos podem em breve considerar o preço de placas de nitreto de alumínio.
Aplicações: Substratos para materiais eletrônicos (encapsulamento) e dissipadores de calor para transferir calor de pontos quentes.
BeO
Comparado ao alumínio metálico, BeO tem condutividade térmica mais alta e é adequado para aplicações precisando de alta condutividade térmica.
Também, lembre que às vezes é tóxico e, portanto, não comumente desenvolvido.
Conclusão: Cerâmicas de alumina, como vimos, têm propriedades e desempenho abrangente superior que ainda as tornam dominantes em vários campos. Por exemplo, você as encontrará em módulos de potência, microeletrônica híbrida e eletrônica de potência.
Elas fornecem alta resistência mecânica, estabilidade química, boas propriedades dielétricas e propriedades térmicas.
Segundo o Processo de Fabricação
Microeletrônica cerâmica co-fired
PCB Cerâmico de Alta Temperatura / High-Temperature Co-Fired Multilayer Ceramic (HTCC)
Este tipo de PCB suporta altas temperaturas (acima de 1300°C). O processo único de fabricação envolve criar novas cerâmicas combinando lubrificante, óxido de alumínio, adesivo, plastificante e solvente.
Depois, fabricantes revestem a nova cerâmica e aplicam padrão de circuito em tungstênio, manganês ou molibdênio metais preciosos. Assam as placas por cerca de 48 horas a temperaturas variando de 1300 a 1700°C após laminação em ambiente gasoso com hidrogênio.
No entanto, devido às altas temperaturas de co-firing, falta muitos materiais condutores metálicos.
PCB Cerâmico de Baixa Temperatura / Low-Temperature Co-Fired Ceramic (LTCC)
Fabricantes usam materiais de vidro cristalino e substâncias adesivas (ligante orgânico) para criar PCBs cerâmicos de baixa temperatura. Aplicam ambos materiais em uma folha metálica que tem pasta de ouro. Então, cortam e laminam a placa antes de colocar o PCB em forno gasoso a 900°C.
Vantagens
- Tem menos empenamento e melhor retração que HTCC.
- Adicionalmente, tem maior intensidade mecânica e condutividade térmica que outros tipos de substrato.
Aplicações: Produtos livres de calor como luzes LED.
PCB Cerâmico de Filme Espesso (Thick Film)
Em processo de filme espesso, fabricantes revestem pastas de ouro e dielétricas em material base cerâmico. Então, assam o material a 1000°C ou temperatura operacional menor. Preferem filme espesso cerâmico devido à sua capacidade de prevenir oxidação de cobre.
Assim, fabricantes podem usar componentes eletrônicos como resistores, capacitores elétricos, condutores, semicondutores e condutores intercambiáveis na placa cerâmica.
Tecnologia de filme espesso
Frequentemente, é escolha preferida quando preocupado com oxidação. Também, a camada condutiva de PCB cerâmico de filme espesso não deve ser mais espessa que 13 mícrons.
- DBC (Direct Bonded Copper)
A tecnologia utiliza solução eutética contendo oxigênio de cobre para colocar cobre metálico diretamente na placa de circuito cerâmico. Frequentemente, seu princípio básico envolve introduzir quantidade necessária de O₂ entre cerâmica e cobre durante ou após processo de deposição. Os dois materiais formam líquido eutético Cu-O em faixas térmicas entre 1065 a 1083°C.
- DPC (Direct Plate Copper) / Substrato revestido de cobre
A opção de material cerâmico frequentemente passa pelo processo abaixo:
Fabricantes começam pré-processando e limpando o substrato cerâmico. Então, usam tecnologia profissional de fabricação de filme - método de revestimento a vácuo - para sputtering e ligar uma camada composta de metal de cobre no substrato.
Em seguida, o fotorresistor com litografia de luz amarela passa por re-exposição, revelação e gravação. Finalmente, o processo de remoção de filme fica completo, e agora fabricantes aumentam a espessura do circuito por deposição de eletrodeposição/sem corrente.
A remoção do fotorresist completa o circuito de metalização.
- LAM (Laser Activation Metallization)
A tecnologia de laser rápida ioniza metal e cerâmica usando feixe de laser de alta energia. Depois, deixa os dois componentes crescerem juntos, aumentando sua firmeza durante o processo de metalização.
Aplicação de PCB Cerâmico
Devido a suas características como alta condutividade térmica, baixa constante dielétrica, etc., PCBs cerâmicos estão nas aplicações listadas abaixo:
- Luz de rua, luz brilhante alta,
- Equipamento de processo semicondutor,
- Dispositivo telecom,
- Sensor,
(diferentes tipos de sensores)
- Célula solar,
- Sistema de luz automotivo,
- LEDs,
(lâmpada LED)
- PCB Digital e Analógico,
- Módulo Transmissão/Recepção,
- Arrays de painel solar,
- Relé de estado sólido (SSR),
- Oscilador de relógio de alta precisão, OCXOs, TCXOs, VCXOs,
- Circuitos de alta potência,
- Módulo chip-on-board, e
- Módulo de memória.
PCB Cerâmico VS FR4
Agora compararemos materiais de placa cerâmica multicamada e FR4 baseados em vários critérios abaixo.
Conclusão
Em conclusão, placas de circuito cerâmico são eficientes em várias indústrias, como a eletrônica, dependendo de suas necessidades de fabricação e designs. Elas também fornecem características de qualidade como eficiência térmica, boa condutividade elétrica e resistência mecânica.
Entre em contato conosco se quiser saber mais sobre materiais de substrato cerâmico.
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