Panoramica dei PCB ceramici

Il substrato ceramico per PCB si riferisce a una scheda con processo speciale, con un foglio di rame incollato direttamente alla superficie (su una o due facce) di un substrato ceramico per PCB in allumina (Al₂O₂) o nitruro di alluminio (AlN) ad alte temperature. Il substrato composito ultrasottile prodotto presenta un eccellente isolamento elettrico, un'elevata conduttività termica, un'eccellente saldabilità e un'elevata forza di adesione, e può incidere vari pattern, garantendo un'elevata capacità di trasporto di corrente. Pertanto, il substrato ceramico per PCB è diventato il materiale di base per la tecnologia di strutturazione dei circuiti elettronici di potenza ad alta potenza e per la tecnologia di interconnessione.

L'avvento dei substrati ceramici per PCB ha dato il via a un nuovo sviluppo nel settore delle applicazioni di dissipazione del calore. Grazie alle caratteristiche di dissipazione del calore del substrato ceramico per PCB e ai suoi vantaggi, come elevata dissipazione del calore, bassa resistenza termica, lunga durata e resistenza alla tensione, il miglioramento delle tecnologie e delle attrezzature di produzione ha accelerato e razionalizzato il prezzo del prodotto, ampliando così i campi di applicazione dell'industria dei LED, come le spie luminose degli elettrodomestici, le luci delle auto, i lampioni stradali e i grandi cartelloni pubblicitari per esterni. 

Lo sviluppo di successo del substrato PCB ceramico garantisce un servizio migliore per i prodotti di illuminazione per interni ed esterni e offre al settore dei LED un mercato più ampio in futuro.

Tipi di PCB ceramici Ddiviso da Materiales

I PCB ceramici possono essere classificati in base ai materiali utilizzati. I materiali più comuni includono ossido di alluminio, nitruro di alluminio e nitruro di silicio. Offrono prestazioni diverse in termini di dissipazione del calore, isolamento e resistenza. La scelta del materiale giusto può rendere il circuito stampato più adatto alle vostre effettive esigenze di utilizzo.

1. PCB in ceramica di allumina

Il substrato ceramico di allumina per PCB è il materiale più comunemente utilizzato nell'industria elettronica. Grazie alla sua elevata resistenza e stabilità chimica rispetto alla maggior parte degli altri ossidi ceramici, in termini di proprietà meccaniche, termiche ed elettriche, e all'abbondanza di materie prime, è adatto a diverse tecniche di produzione e a diverse forme. Il substrato di allumina può essere personalizzato in tre dimensioni.

2. PCB ceramico di ossido di berillio

La sua conduttività termica è superiore a quella dell'alluminio, quindi può essere utilizzato in situazioni in cui è richiesta un'elevata conduttività termica, ma diminuisce rapidamente quando la temperatura supera i 300 °C. La cosa più importante è che la sua tossicità ne limita lo sviluppo.

Le ceramiche all'ossido di berillio sono ceramiche con l'ossido di berillio come componente principale. Vengono utilizzate principalmente come substrato per circuiti integrati di grandi dimensioni, tubi laser a gas ad alta potenza, dissipatori di calore per transistor, finestre di uscita a microonde e moderatori di neutroni.

3. PCB ceramico in nitruro di alluminio

L'AlN possiede due proprietà molto importanti degne di nota: una è l'elevata conduttività termica, e l'altra è il coefficiente di dilatazione che si adatta a quello del Si. Lo svantaggio è che, anche se sulla superficie è presente uno strato di ossido molto sottile, questo influirà sulla conduttività termica. Solo controllando rigorosamente i materiali e i processi è possibile produrre substrati di AlN con una buona omogeneità. In Cina, esistono poche tecnologie di produzione di AlN che possono essere prodotte su larga scala come Sliton, e il prezzo dell'AlN è relativamente elevato rispetto all'Al₂O₂, il che rappresenta un piccolo collo di bottiglia che ne limita lo sviluppo. Tuttavia, con il miglioramento dell'economia e della tecnologia, questo collo di bottiglia alla fine scomparirà.

Per i motivi sopra esposti, si può affermare che la ceramica di allumina è ampiamente utilizzata per le sue prestazioni complessive superiori e che occupa ancora una posizione dominante nella microelettronica, nell'elettronica di potenza, nella microelettronica ibrida, nei moduli di potenza e in altri campi.

L'AlN può essere stabilizzato fino a 2200 °C. La resistenza è elevata a temperatura ambiente e diminuisce lentamente con l'aumentare della temperatura. Ha una buona conduttività termica, un basso coefficiente di dilatazione termica ed è un materiale con buona resistenza agli shock termici. Grazie all'elevata resistenza all'erosione del metallo fuso, è un materiale ideale per la fusione e la fusione di ferro puro, alluminio o leghe di alluminio. 

Il nitruro di alluminio è anche un isolante elettrico con buone proprietà dielettriche e promette di essere utilizzato anche come componente elettrico. Il rivestimento di nitruro di alluminio sulla superficie dell'arseniuro di gallio può proteggerlo dall'impianto ionico durante la ricottura. È anche un catalizzatore per la conversione del nitruro di alluminio da nitruro di boro esagonale a nitruro di boro cubico. Reagisce lentamente con l'acqua a temperatura ambiente. Può essere sintetizzato da polvere di alluminio a 800~1000 °C in atmosfera di ammoniaca o azoto. Il prodotto è di colore da bianco a grigio-blu. Viene sintetizzato per reazione del sistema Al₂O₂-C₂-N₂ a 2~3 °C e il prodotto si presenta come una polvere biancastra. Il cloruro di alluminio e l'ammoniaca vengono preparati per reazione in fase gassosa. Il rivestimento può essere sintetizzato dal sistema AlCl₂-NH₂ per deposizione in fase gassosa.

4. PCB ceramico in nitruro di silicio

Nel 3, la Rogers Company ha introdotto il nuovo substrato ceramico per PCB in nitruro di silicio (Si4N2012) della serie curamik®. Poiché la resistenza meccanica del nitruro di silicio è superiore a quella di altre ceramiche, il nuovo substrato curamik® può aiutare i progettisti a ottenere una lunga durata in ambienti di lavoro difficili e in applicazioni HEV/EV e altre energie rinnovabili.

La resistenza alla flessione del nuovo substrato ceramico per PCB in nitruro di silicio è superiore a quella del substrato in Al2O3 e AlN.

La tenacità alla frattura del Si3N4 supera addirittura quella della ceramica drogata con zirconia.

Finora, l'affidabilità del substrato ceramico rivestito in rame per PCB utilizzato nei moduli di potenza è stata limitata dalla bassa resistenza alla flessione della ceramica, che riduce la capacità di resistere al ciclo termico. Per le applicazioni che combinano stress termici e meccanici estremi, come i veicoli ibridi e i veicoli elettrici (HEV/EV), il substrato ceramico per PCB comunemente utilizzato non è la scelta migliore. I coefficienti di dilatazione termica del substrato (PCB ceramico) e del conduttore (rame) sono molto diversi, il che esercita una pressione sull'area di incollaggio durante il ciclo termico, riducendone l'affidabilità. Questo substrato ceramico per PCB in nitruro di silicio (Si3N4) della serie curamik®, presentato da Rogers Company alla fiera PCIM di quest'anno, prolungherà di 10 volte la durata dei moduli elettronici di potenza.

Processo di produzione di PCB ceramici

Per la produzione di PCB ceramici è essenziale seguire una serie di passaggi precisi. Tutti questi passaggi devono garantire che il circuito stampato ceramico prodotto soddisfi pienamente lo scopo previsto.

1. Il primo passo nella produzione di un PCB ceramico è analizzare le esigenze, la resistenza richiesta, la rigidità e le proprietà associate alla sua conduttività.

2. In secondo luogo, dobbiamo scegliere un substrato ceramico adatto come base per il PCB. Come per qualsiasi altro prodotto, materiali diversi soddisfano esigenze diverse. L'allumina è una scelta popolare per progetti attenti al budget. Il nitruro di alluminio e l'ossido di berillio sono utili quando un progetto richiede un'elevata conduttività termica.

3. Una volta ottenuta la base perfetta per il nostro PCB ceramico, è il momento di procedere con l'incisione laser per realizzare le impronte sul circuito. Queste incisioni creano un percorso per il flusso di corrente. Quindi, a seconda della complessità del circuito, utilizziamo la deposizione di film spessi o sottili per creare le tracce conduttive necessarie.

4. Ora arriva il passaggio più cruciale: la cottura della tavola a temperature elevatissime. Questo calore intenso fonde tutti i componenti, rendendoli un'unità coesa.

5. Ma non è ancora finita. Il percorso dei PCB ceramici continua con la foratura dei fori per realizzare i supporti su cui collegare altri componenti, proprio come costruire una città in miniatura. Quindi, i PCB ceramici vengono protetti con un rivestimento anticorrosione.

6. Infine, il team di controllo qualità osserva e analizza attentamente l'intero processo di produzione dei PCB ceramici. Ogni fase richiede la massima attenzione ai dettagli, quindi non possiamo correre rischi, poiché un errore può compromettere l'intero sistema elettrico.

Questo è esattamente il motivo per cui consigliamo sempre ai nostri clienti di cercare un produttore di PCB ceramici affidabile come PCBBasicPer maggiori informazioni o per ottenere un preventivo, visita www.pcbasic.com.

Vantaggi di CPCB eramicos

◆ Il coefficiente di dilatazione termica del substrato ceramico del PCB è prossimo a quello del chip di silicio, il che può far risparmiare una fetta di Mo dello strato di transizione, far risparmiare manodopera, materiale e ridurre i costi;

◆ Ridurre lo strato di saldatura, la resistenza termica, i vuoti e la resa;

◆ Con la stessa capacità di trasporto di corrente, la larghezza della linea di un foglio di rame spesso 0.3 mm in un PCB ceramico è solo il 10% di quella dei normali circuiti stampati;

◆ L'eccellente conduttività termica rende il package del chip molto compatto, aumentando notevolmente la densità di potenza e migliorando l'affidabilità del sistema e del dispositivo;

◆ Il substrato PCB ceramico ultra sottile (0.25 mm) può sostituire BeO senza tossicità ambientale;

◆ La capacità di trasporto di corrente è elevata: una corrente di 100 A attraversa costantemente un corpo di rame largo 1 mm e spesso 0.3 mm, con un aumento di temperatura di circa 17 °C. Una corrente di 100 A attraversa costantemente un corpo di rame largo 2 mm e spesso 0.3 mm, con un aumento di temperatura di soli 5 °C circa.

◆ Bassa resistenza termica. La resistenza termica del substrato ceramico per PCB da 10x10 mm è di 0.31 K/W per il substrato ceramico da 0.63 mm, 0.19 K/W per il substrato ceramico da 0.38 mm e 0.14 K/W per il substrato ceramico da 0.25 mm.

◆ Elevato isolamento e tensione di tenuta, che garantiscono la sicurezza personale e la capacità di protezione delle apparecchiature.

◆ È possibile realizzare nuovi metodi di confezionamento e assemblaggio, che possono rendere i prodotti altamente integrati e ridurne il volume.

Cookie di prestazione Requirement per CPCB eramicos

Nei dispositivi elettronici che operano ad alta potenza, alta frequenza e in ambienti estremi, i tradizionali circuiti stampati in FR4 hanno difficoltà a soddisfare i rigorosi requisiti di dissipazione del calore, prestazioni elettriche e stabilità. I PCB ceramici sono diventati la scelta ideale per la nuova generazione di contenitori elettronici e supporti per circuiti, grazie alla loro eccellente conduttività termica, isolamento elettrico e affidabilità. Diamo un'occhiata ai requisiti prestazionali fondamentali per i circuiti stampati ceramici.

Proprietà meccaniche

Grazie all'elevata resistenza meccanica, il PCB ceramico può essere utilizzato anche come elemento di supporto oltre che per componenti portanti. Presenta una buona lavorabilità e un'elevata precisione dimensionale; è facile da realizzare multistrato, con superfici lisce senza deformazioni, piegature, microfessure, ecc.

Proprietà elettriche

Elevata resistenza di isolamento e tensione di rottura dell'isolamento; bassa costante dielettrica; bassa perdita dielettrica; prestazioni stabili in condizioni di alta temperatura e alta umidità, il PCB in ceramica garantisce affidabilità.

Proprietà termiche

Elevata conduttività termica; Il coefficiente di dilatazione termica è compatibile con i materiali correlati (in particolare con il coefficiente di dilatazione termica del Si); Eccellente resistenza al calore.

Altre proprietà

Buona stabilità chimica; Facile metallizzazione, forte adesione tra i modelli dei circuiti e gli stessi; Nessuna igroscopicità; Resistenza agli oli e alle sostanze chimiche; La quantità di radiazioni emesse è piccola; Le sostanze adottate sono prive di inquinamento e non tossiche; La struttura cristallina non cambia nell'intervallo di temperatura di utilizzo; Materie prime ricche; Tecnologia matura; Facile da produrre; Prezzo basso.

Informazioni su PCBasic

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Applicazionis di PCB ceramici

◆ Modulo semiconduttore ad alta potenza; Frigorifero a semiconduttore, riscaldatore elettronico; Circuito di controllo della potenza RF, circuito ibrido di potenza.

◆ Componenti di potenza intelligenti: alimentatore switching ad alta frequenza e relè allo stato solido.

◆ Componenti elettronici per l'industria automobilistica, aerospaziale e militare.

◆ Assemblaggio di pannelli solari; centralino privato per telecomunicazioni, sistema di ricezione; laser e altri dispositivi elettronici industriali.

Perché utilizzare PCB in ceramica rispetto ad altre schede?

Rispetto al tradizionale PCB FR4 o al substrato metallico MCPCB, il PCB con substrato ceramico offre vantaggi significativi in diversi indicatori chiave di prestazione. La sua eccezionale conduttività termica, il coefficiente di dilatazione termica estremamente basso, l'eccellente isolamento elettrico e la risposta in frequenza lo rendono la scelta ideale per dispositivi elettronici ad alte prestazioni e altamente affidabili, particolarmente adatto per l'elettronica di potenza, le comunicazioni a radiofrequenza e le applicazioni in ambienti difficili.

Qui possiamo osservare i punti di forza multidimensionali dei PCB ceramici, soprattutto nelle applicazioni ad alta potenza, alta frequenza e alta affidabilità. Superano sia FR4 che MCPCB in aree chiave, rendendo i circuiti stampati ceramici la scelta preferita per molti sistemi elettronici avanzati.

Conclusione

Con la crescente compattezza e potenza dei dispositivi elettronici, aumenta la domanda di soluzioni termiche ed elettriche robuste. I PCB ceramici si distinguono per le loro prestazioni superiori in condizioni estreme, rendendoli essenziali per applicazioni ad alta affidabilità. Che si progetti per il settore automobilistico, aerospaziale o LED ad alta potenza, la scelta del produttore di PCB ceramici e del substrato ceramico più adatti può garantire il successo a lungo termine del prodotto.