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.