PCBs de cerâmica – Um guia completo

A maioria das placas de circuito tradicionais utiliza FR4 ou resina epóxi como material base, sendo adequada para produtos eletrônicos de consumo comuns. No entanto, elas frequentemente não suportam condições de alta potência e alta frequência. Para resolver esses problemas, os engenheiros começaram a optar por PCBs de cerâmica.

Uma placa de circuito impresso de cerâmica não é uma alternativa simples ao PCB comum, mas sim uma tecnologia mais avançada. Possui excelente condutividade térmica, isolamento elétrico e estabilidade dimensional. Em outras palavras, PCBs de substrato cerâmico ainda podem operar de forma estável e confiável em ambientes de alta temperatura, forte vibração ou corrosão, tornando-as altamente adequadas para áreas como aeroespacial, defesa, eletrônica automotiva, equipamentos médicos e comunicações 5G.

Neste guia abrangente, mostraremos a você um entendimento completo do PCB cerâmico: o que é, suas características, materiais e tipos comumente usados, cenários de aplicação específicos, processos de fabricação e as diferenças entre ele e o FR4 e o MCPCB.

O que é um PCB cerâmico?

Uma PCB cerâmica é um tipo especial de placa de circuito impresso. Seu substrato não é feito de resina epóxi de fibra de vidro tradicional (FR4), mas sim de materiais cerâmicos avançados, como alumina (Al₂O₃), nitreto de alumínio (AlN), óxido de berílio (BeO), carboneto de silício (SiC) ou nitreto de boro (BN). A cerâmica é usada em vez de materiais orgânicos; as placas de circuito cerâmico possuem propriedades que as placas de circuito comuns não possuem, como condutividade térmica, isolamento elétrico e resistência à corrosão química.

É justamente por causa dessas características que os PCBs de substrato cerâmico são amplamente utilizados em eletrônicos de alta potência, sistemas de RF e micro-ondas, aeroespacial, equipamentos de defesa, módulos de energia automotivos, iluminação LED e outras aplicações que exigem alta confiabilidade.

Ao contrário de uma MCPCB (placa de circuito com núcleo metálico), que depende de camadas metálicas para auxiliar na dissipação de calor, uma PCB de cerâmica integra alta condutividade térmica diretamente em seu substrato. Isso significa que geralmente não requer dissipadores de calor adicionais, o design do sistema é mais simples e também pode suportar circuitos menores e de maior densidade.

Em termos simples, a placa de circuito impresso de cerâmica não é apenas uma substituta para o FR4, mas sim uma solução de circuito de nova geração mais avançada. Ela pode manter uma operação estável em ambientes de alta temperatura, alta frequência e corrosivos, ao mesmo tempo em que oferece confiabilidade de longo prazo em aplicações críticas.

Principais características dos PCBs cerâmicos

O desempenho dos PCBs cerâmicos decorre principalmente das seguintes características importantes:

Condutividade Térmica

A característica mais notável de uma PCB cerâmica é sua rápida dissipação de calor. A condutividade térmica de uma placa de circuito FR4 comum é de apenas 0.3 W/m·K, enquanto a do óxido de alumina (Al₂O₃) pode atingir 20-30 W/m·K, e a do nitreto de alumínio (AlN) excede 200 W/m·K. Isso significa que o calor da placa de circuito cerâmico pode se dissipar de 20 a 100 vezes mais rápido do que o das placas tradicionais, evitando efetivamente o superaquecimento dos componentes e aumentando a confiabilidade.

Isolamento elétrico

Um substrato cerâmico para PCB possui excelente isolamento elétrico. Materiais como alumina e nitreto de alumínio apresentam baixa perda dielétrica e constantes dielétricas estáveis, o que pode reduzir o vazamento de sinal. Isso torna as PCBs cerâmicas a escolha ideal para circuitos de radiofrequência (RF), micro-ondas e circuitos digitais de alta velocidade, garantindo sinais estáveis ​​e confiáveis.

estabilidade dimensional

PCBs cerâmicos dificilmente se expandem sob mudanças de temperatura, e seu coeficiente de expansão térmica (CTE) é próximo ao dos chips de silício. Isso reduz o estresse do ciclo térmico em placas de circuito e chips, tornando os PCBs de substrato cerâmico altamente confiáveis ​​em encapsulamentos de semicondutores.

Força mecânica

Os PCBs cerâmicos possuem uma estrutura robusta e podem suportar vibrações, choques e tensões mecânicas. Essa durabilidade é de grande importância em áreas como aeroespacial, eletrônica automotiva e eletrônica de defesa.

Resistência química

Ao contrário do FR4 ou de alguns MCPCBs, os PCBs de substrato cerâmico resistem à corrosão causada por produtos químicos, solventes e umidade. Isso permite que os PCBs cerâmicos sejam usados ​​com segurança em ambientes agressivos, como equipamentos médicos, automação industrial e energia.

Materiais cerâmicos para PCB

No projeto de PCBs industriais, a seleção dos materiais do substrato afeta diretamente o desempenho da placa de circuito. Diferentes materiais cerâmicos possuem condutividade térmica, propriedades mecânicas e desempenho elétrico próprios e, portanto, são adequados para diversos tipos de aplicações eletrônicas.

A tabela a seguir lista vários materiais comuns de PCB de cerâmica, juntamente com sua condutividade térmica, principais características e aplicações típicas, servindo como referência para design e seleção de materiais.

Tipos de PCBs cerâmicos

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Aplicações de PCBs cerâmicos

A versatilidade do PCB cerâmico o torna essencial em muitos setores:

• Iluminação LED: LEDs de alta potência se beneficiam de substratos cerâmicos que eliminam a necessidade de dissipadores de calor.

• Eletrônica automotiva: Usado em ECUs, gerenciamento de energia e módulos EV onde vibração e calor são desafios.

• Aeroespacial e Defesa: Módulos de radar, orientação de mísseis, aviônicos – placas de circuito cerâmico confiáveis ​​em condições extremas.

• Telecomunicações: Amplificadores de RF, circuitos de micro-ondas e infraestrutura 5G dependem de substratos de PCB de cerâmica para integridade do sinal.

• Dispositivos médicos: Equipamentos implantáveis ​​e de diagnóstico precisam de PCBs cerâmicos biocompatíveis e quimicamente resistentes.

• Eletrônica Industrial de Potência: Inversores, conversores e sistemas de energia renovável se beneficiam de PCBs de substrato cerâmico de alta potência.

• Embalagem de semicondutores: Portadores de chips e microeletrônicos híbridos usam placas de circuito cerâmico multicamadas para alta densidade e controle térmico.

Visão geral do processo de fabricação

A fabricação de uma placa de circuito impresso de cerâmica não é um processo simples. Envolve diversas etapas profissionais, cada uma das quais afeta o desempenho e a confiabilidade da placa de circuito final.

1. Design e Layout

Primeiro, utilize um software CAD para o projeto do circuito. Os engenheiros levarão em consideração, em especial, os requisitos de dissipação de calor e o desempenho da transmissão de sinal de alta frequência das placas de circuito impresso cerâmicas para garantir que o layout do circuito seja razoável e confiável.

2. Preparação do substrato

Corte os materiais do substrato cerâmico (os mais comuns incluem Al₂O₃ e AlN) nos tamanhos necessários e, em seguida, faça o polimento e a limpeza. Esta etapa garante que a superfície do substrato esteja plana, livre de poeira e impurezas, facilitando os processos subsequentes.

3. Serigrafia ou Deposição de Filme Fino

Pastas condutoras como prata (Ag), ouro (Au) e cobre (Cu) são impressas na superfície de substratos cerâmicos para formar trilhas de circuito. O processo de película fina também pode depositar camadas condutoras mais finas, tornando-o adequado para circuitos de alta precisão.

4. Via Perfuração e Metalização

Utiliza-se perfuração a laser ou mecânica para criar vias através do substrato. Em seguida, é realizado um tratamento de metalização dentro do furo para estabelecer interconexões confiáveis ​​entre as camadas do circuito.

5. Empilhamento e Laminação

Se for uma PCB cerâmica multicamadas, os substratos multicamadas serão precisamente alinhados e laminados para formar uma estrutura multicamadas. Isso pode suportar interconexões de alta densidade e projetos de circuitos mais complexos.

6. Sinterização/Queima

O substrato cerâmico laminado é colocado em um forno de alta temperatura e sinterizado de 850 a 1700 °C para unir firmemente as camadas de cerâmica e metal, garantindo a estabilidade e a resistência da placa de circuito.

7. Acabamento de superfície

ENIG, ENEPIG, prata de imersão ou estanho de imersão são aplicados na superfície da placa de circuito. Esses tratamentos podem melhorar o desempenho da soldabilidade e evitar a oxidação da camada de cobre.

8. Montagem e Teste

Instale dispositivos de montagem em superfície (SMDs) na placa de circuito para concluir as funções básicas do circuito. Em seguida, serão realizados testes elétricos e de confiabilidade térmica para garantir que a placa de circuito impresso de cerâmica funcione normalmente.

9. Perfil final e embalagem

A etapa final é cortar ou fazer uma incisão em V na placa de circuito para concluir o processamento da forma. Os produtos acabados qualificados serão embalados e preparados para envio pelo fabricante do PCB cerâmico.

PCB de cerâmica vs PCBs FR4 e de núcleo metálico

• FR4: barato, mas com baixa dissipação de calor.

• MCPCB: equilíbrio entre custo e desempenho.

• PCB de cerâmica: condutividade térmica superior, mas muito caro.

Conclusão

PCBs cerâmicos são a escolha ideal para montagens eletrônicas de alto desempenho. Combinam alta condutividade térmica, excelente desempenho elétrico, durabilidade e resistência à corrosão química, tornando-se cada vez mais importantes em setores como aeroespacial, automotivo, telecomunicações, defesa, LED e equipamentos médicos.

Embora os PCBs de cerâmica sejam mais caros que os PCBs FR4 ou de núcleo metálico e sejam mais frágeis, eles podem aumentar a confiabilidade a longo prazo, reduzir os requisitos de dissipação de calor, estendendo assim a vida útil dos produtos eletrônicos e economizando custos em geral.