Descripción general de las PCB de cerámica

El sustrato cerámico para PCB se refiere a una placa de proceso especial con lámina de cobre adherida directamente a la superficie (una o dos caras) de un sustrato cerámico para PCB de alúmina (Al₂O₃) o nitruro de aluminio (AlN) a altas temperaturas. Este sustrato compuesto ultrafino ofrece un excelente aislamiento eléctrico, alta conductividad térmica, excelente soldabilidad y alta resistencia de adhesión, además de permitir la grabación de diversos patrones, lo que le confiere una gran capacidad de conducción de corriente. Por lo tanto, el sustrato cerámico para PCB se ha convertido en el material básico de la tecnología de estructuración de circuitos electrónicos de alta potencia y de la tecnología de interconexión.

La llegada de los productos de sustrato cerámico para PCB ha impulsado el desarrollo de la industria de disipación de calor. Gracias a sus características de disipación y a sus ventajas, como alta disipación de calor, baja resistencia térmica, larga vida útil y resistencia al voltaje, la mejora de la tecnología y los equipos de producción ha acelerado y racionalizado el precio de los productos, ampliando así las aplicaciones de la industria LED, como luces indicadoras de electrodomésticos, luces de automóviles, farolas y vallas publicitarias exteriores. 

El desarrollo exitoso del sustrato de PCB de cerámica proporciona un mejor servicio para los productos de iluminación interior y exterior y le otorga a la industria LED un mercado más amplio en el futuro.

Tipos de PCB cerámicos Ddividido por Materials

Las PCB cerámicas se pueden clasificar según los materiales utilizados. Los materiales más comunes son el óxido de aluminio, el nitruro de aluminio y el nitruro de silicio. Su rendimiento varía en términos de disipación de calor, aislamiento y resistencia. Elegir el material adecuado puede hacer que la placa de circuito sea más adecuada para sus necesidades de uso.

1. PCB de cerámica de alúmina

El sustrato cerámico de alúmina para PCB es el material más utilizado en la industria electrónica. Gracias a su alta resistencia y estabilidad química, en comparación con la mayoría de las demás cerámicas de óxido, en cuanto a propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas, y a la abundancia de materias primas, es adecuado para diversas técnicas de fabricación y diferentes formas. El sustrato de alúmina se puede personalizar en tres dimensiones.

2. PCB de cerámica de óxido de berilio

Su conductividad térmica es superior a la del aluminio, por lo que puede utilizarse en situaciones donde se requiere una alta conductividad térmica. Sin embargo, esta disminuye rápidamente cuando la temperatura supera los 300 °C. Lo más importante es que su toxicidad limita su propio desarrollo.

La cerámica de óxido de berilio es un material cerámico cuyo componente principal es el óxido de berilio. Se utiliza principalmente como sustrato para circuitos integrados a gran escala, tubos láser de gas de alta potencia, disipadores térmicos de transistores, ventanas de salida de microondas y moderadores de neutrones.

3. PCB de cerámica de nitruro de aluminio

El AlN posee dos propiedades muy importantes: su alta conductividad térmica y su coeficiente de expansión, similar al del silicio. La desventaja es que, incluso con una capa de óxido muy fina en la superficie, esta afectará la conductividad térmica. Solo mediante un control estricto de los materiales y procesos se pueden fabricar sustratos de AlN con buena consistencia. En China, existen pocas tecnologías de producción de AlN que se puedan producir a gran escala como Sliton, y su precio es relativamente alto en comparación con el del Al₂O₃, lo que también representa un pequeño obstáculo para su desarrollo. Sin embargo, con la mejora de la economía y la tecnología, este obstáculo desaparecerá con el tiempo.

Por las razones anteriores, se puede saber que las cerámicas de alúmina se utilizan ampliamente debido a su rendimiento integral superior y todavía ocupan una posición dominante en la microelectrónica, la electrónica de potencia, la microelectrónica híbrida, los módulos de potencia y otros campos.

El AlN se puede estabilizar hasta 2200 °C. Presenta una alta resistencia a temperatura ambiente y disminuye lentamente con el aumento de la temperatura. Presenta buena conductividad térmica, un bajo coeficiente de expansión térmica y es un material resistente al choque térmico. Gracias a su alta resistencia a la erosión del metal fundido, es un material ideal para crisoles de fundición de hierro puro, aluminio o aleaciones de aluminio. 

El nitruro de aluminio es también un aislante eléctrico con buenas propiedades dieléctricas y su uso como componente eléctrico es prometedor. El recubrimiento de nitruro de aluminio sobre la superficie del arseniuro de galio lo protege de la implantación de iones durante el recocido. Además, actúa como catalizador para la conversión de nitruro de aluminio de nitruro de boro hexagonal a nitruro de boro cúbico. Reacciona lentamente con agua a temperatura ambiente. Se puede sintetizar a partir de polvo de aluminio a 800-1000 °C en atmósfera de amoníaco o nitrógeno. El producto es un polvo blanco a azul grisáceo. Se sintetiza mediante la reacción del sistema Al₂O₃-C-N₂ a 2-3 °C, obteniéndose un polvo blanquecino. El cloruro de aluminio y el amoníaco se preparan mediante reacción en fase gaseosa. El recubrimiento se puede sintetizar a partir del sistema AlCl₃-NH₃ mediante deposición en fase gaseosa.

4. PCB de cerámica de nitruro de silicio

Rogers Company presentó el nuevo sustrato de PCB cerámico de nitruro de silicio (Si3N4) de la serie curamik® en 2012. Como la resistencia mecánica del nitruro de silicio es mayor que la de otras cerámicas, el nuevo sustrato curamik® puede ayudar a los diseñadores a lograr una larga vida útil en entornos de trabajo hostiles y en aplicaciones de HEV/EV y otras energías renovables.

La resistencia a la flexión del nuevo sustrato de PCB cerámico hecho de nitruro de silicio es mayor que la del sustrato hecho de Al2O3 y AlN.

La tenacidad a la fractura del Si3N4 incluso supera a la de la cerámica dopada con zirconia.

Hasta ahora, la fiabilidad del sustrato cerámico para PCB revestido de cobre utilizado en módulos de potencia se ha visto limitada por la baja resistencia a la flexión de la cerámica, lo que reduce la capacidad de los módulos electrónicos de potencia. Para aplicaciones que combinan tensiones térmicas y mecánicas extremas, como los vehículos híbridos y eléctricos (HEV/EV), el sustrato cerámico para PCB comúnmente utilizado no es la mejor opción. Los coeficientes de expansión térmica del sustrato (PCB cerámico) y del conductor (cobre) son muy diferentes, lo que ejerce presión sobre la zona de unión durante el ciclo térmico, reduciendo así la fiabilidad. Este sustrato cerámico para PCB de nitruro de silicio (Si₃N₄) de la serie Curamik®, presentado por Rogers Company en la feria PCIM de este año, prolongará la vida útil de los módulos electrónicos de potencia hasta diez veces.

Proceso de fabricación de PCB de cerámica

Para la fabricación de PCBs cerámicos, es fundamental seguir una serie de pasos precisos. Todos estos pasos deben garantizar que la placa de circuito impreso cerámico fabricada cumpla plenamente su función prevista.

1. El primer paso en la fabricación de una PCB de cerámica es analizar las necesidades, la resistencia requerida, la rigidez y las propiedades asociadas a su conductividad.

2. En segundo lugar, debemos elegir un sustrato cerámico adecuado para la PCB como base. Al igual que con cualquier otro producto, cada material se adapta a diferentes necesidades. La alúmina es una opción popular para proyectos con presupuesto ajustado. El nitruro de aluminio y el óxido de berilio son útiles cuando un proyecto requiere una alta conductividad térmica.

3. Una vez que tenemos la base perfecta para nuestra PCB de cerámica, es hora de que el grabado láser genere impresiones en el circuito. Estos grabados crean una ruta para el flujo de la electricidad. Luego, dependiendo de la complejidad del circuito, utilizamos la deposición de película gruesa o delgada para crear las pistas conductoras necesarias.

4. Ahora viene el paso más crucial: cocer la placa a temperaturas abrasadoras. Este intenso calor fusiona todo, convirtiéndola en una unidad cohesiva.

5. Pero esto aún no ha terminado. El proceso de las PCB cerámicas continúa perforando agujeros para crear soportes que conecten otros componentes, como si se construyera una ciudad en miniatura. Después, las PCB cerámicas se protegen con un recubrimiento anticorrosivo.

6. Finalmente, el equipo de control de calidad observa y analiza cuidadosamente todo el proceso de fabricación de las placas de circuito impreso (PCB) cerámicas. Dado que cada paso implica una gran atención al detalle, no podemos arriesgarnos con ninguna decisión, ya que un paso en falso puede arruinar todo el sistema eléctrico.

Esta es exactamente la razón por la que siempre recomendamos que nuestros clientes busquen un fabricante de PCB de cerámica confiable como PCBbásicoPara más información o para obtener una cotización, visite www.pcbasic.com.

Ventajas de CPCB eramics

◆ El coeficiente de expansión térmica del sustrato de PCB de cerámica es cercano al del chip de silicio, lo que puede ahorrar una porción de Mo de la capa de transición, ahorrar mano de obra, material y reducir costos;

◆ Reduce la capa de soldadura, la resistencia térmica, los huecos y el rendimiento;

◆ Con la misma capacidad de transporte de corriente, el ancho de línea de una lámina de cobre de 0.3 mm de espesor en una PCB de cerámica es solo el 10 % del de las placas de circuito impreso comunes;

◆ La excelente conductividad térmica hace que el paquete del chip sea muy compacto, aumentando así en gran medida la densidad de potencia y mejorando la confiabilidad del sistema y del dispositivo;

◆ El sustrato de PCB de cerámica ultrafino (0.25 mm) puede reemplazar al BeO sin toxicidad ambiental;

◆ La capacidad de conducción de corriente es alta, y una corriente de 100 A pasa continuamente a través de un cuerpo de cobre de 1 mm de ancho y 0.3 mm de espesor, lo que provoca un aumento de temperatura de aproximadamente 17 ℃. Una corriente de 100 A pasa continuamente a través de un cuerpo de cobre de 2 mm de ancho y 0.3 mm de espesor, con un aumento de temperatura de tan solo unos 5 ℃.

◆ Baja resistencia térmica. La resistencia térmica del sustrato cerámico de PCB de 10×10 mm es de 0.31 K/W para el de 0.63 mm, de 0.19 K/W para el de 0.38 mm y de 0.14 K/W para el de 0.25 mm.

◆ Alto aislamiento y tensión soportada, garantizando la seguridad personal y la capacidad de protección del equipo.

◆ Se pueden implementar nuevos métodos de embalaje y ensamblaje que pueden hacer que los productos estén altamente integrados y reducir el volumen.

Rendimiento Requirement para CPCB eramics

En dispositivos electrónicos que operan en entornos extremos, de alta potencia y alta frecuencia, las placas de circuito FR4 tradicionales se han vuelto difíciles de cumplir con sus estrictos requisitos de disipación de calor, rendimiento eléctrico y estabilidad. Las placas de circuito impreso (PCB) cerámicas se han convertido en la opción ideal para la nueva generación de encapsulados electrónicos y soportes de circuitos gracias a su excelente conductividad térmica, aislamiento eléctrico y fiabilidad. Analicemos los principales requisitos de rendimiento de las placas de circuito cerámicas.

Propiedades mecánicas

Gracias a su alta resistencia mecánica, la PCB cerámica también puede utilizarse como elemento de soporte, además de como componente portante. Ofrece buena procesabilidad y alta precisión dimensional; facilita la creación de superficies multicapa lisas sin deformaciones, dobleces ni microfisuras.

Propiedades eléctricas

Alta resistencia de aislamiento y voltaje de ruptura del aislamiento; baja constante dieléctrica; baja pérdida dieléctrica; rendimiento estable en condiciones de alta temperatura y alta humedad, la PCB de cerámica garantiza confiabilidad.

Propiedades térmicas

Alta conductividad térmica; El coeficiente de expansión térmica coincide con los materiales relacionados (especialmente con el coeficiente de expansión térmica del Si); Excelente resistencia al calor.

Otras propiedades

Buena estabilidad química; Fácil metalización, fuerte adhesión entre los patrones del circuito y ellos; Sin higroscopicidad; Resistencia al aceite y a los productos químicos; La cantidad de radiación emitida es pequeña; Las sustancias adoptadas están libres de contaminación y no son tóxicas; La estructura cristalina no cambia dentro del rango de temperatura de uso; Materias primas ricas; Tecnología madura; Fácil de fabricar; Precio bajo.

Acerca de PCBasic

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Solicitud s de PCB de cerámica

◆ Módulo semiconductor de potencia de alta potencia; Refrigerador de semiconductores, calentador electrónico; Circuito de control de potencia de RF, circuito híbrido de potencia.

◆ Componentes de potencia inteligentes: Fuente de alimentación conmutada de alta frecuencia y relé de estado sólido.

◆ Electrónica automotriz, componentes electrónicos aeroespaciales y militares.

◆ Montaje de paneles solares; Central privada de telecomunicaciones, sistema de recepción; Láser y otros dispositivos electrónicos industriales.

¿Por qué utilizar PCB de cerámica en lugar de otras placas?

En comparación con la PCB FR4 tradicional o la PCB de sustrato metálico, la PCB de sustrato cerámico ofrece ventajas significativas en múltiples indicadores clave de rendimiento. Su excelente conductividad térmica, su coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo, su excelente aislamiento eléctrico y su respuesta en frecuencia la convierten en la opción ideal para dispositivos electrónicos de alto rendimiento y alta fiabilidad, especialmente adecuada para electrónica de potencia, comunicaciones por radiofrecuencia y aplicaciones en entornos hostiles.

Aquí se aprecian las ventajas multidimensionales de las PCB cerámicas, especialmente en aplicaciones de alta potencia, alta frecuencia y alta fiabilidad. Superan tanto a las FR4 como a las MCPCB en áreas clave, lo que las convierte en la opción preferida para muchos sistemas electrónicos avanzados.

Conclusión

A medida que los dispositivos electrónicos se vuelven más compactos y potentes, aumenta la demanda de soluciones térmicas y eléctricas robustas. Las PCB cerámicas destacan por su rendimiento superior en condiciones extremas, lo que las hace esenciales para aplicaciones de alta fiabilidad. Ya sea que diseñe para la industria automotriz, aeroespacial o LED de alta potencia, elegir el fabricante y el sustrato de PCB cerámicos adecuados puede garantizar el éxito a largo plazo de su producto.