Visão geral de PCBs cerâmicos

O substrato cerâmico para PCB refere-se a uma placa de processo especial com folha de cobre diretamente ligada à superfície (lados simples ou duplos) de um substrato cerâmico para PCB de alumina (Al2O3) ou nitreto de alumínio (AlN) em altas temperaturas. O substrato composto ultrafino fabricado possui excelente isolamento elétrico, alta condutividade térmica, excelente soldabilidade e alta força de adesão, além de poder gravar diversos padrões, proporcionando grande capacidade de condução de corrente. Portanto, o substrato cerâmico para PCB tornou-se o material básico da tecnologia de estrutura de circuitos eletrônicos de alta potência e da tecnologia de interconexão.

O advento dos produtos de substrato cerâmico para PCB impulsionou o desenvolvimento da indústria de aplicações de dissipação de calor. Devido às características de dissipação de calor do substrato cerâmico para PCB e às suas vantagens, como alta dissipação de calor, baixa resistência térmica, longa vida útil e resistência à tensão, com o aprimoramento da tecnologia e dos equipamentos de produção, o preço do produto foi acelerado e racionalizado, expandindo assim os campos de aplicação da indústria de LED, como luzes indicadoras de eletrodomésticos, faróis de automóveis, postes de iluminação pública e grandes outdoors. 

O desenvolvimento bem-sucedido do substrato de PCB de cerâmica proporciona um melhor serviço para produtos de iluminação interna e externa e dá à indústria de LED um mercado mais amplo no futuro.

Tipos de PCBs cerâmicos Ddividido por Materials

PCBs cerâmicos podem ser classificados de acordo com os materiais utilizados. Os materiais comuns incluem óxido de alumínio, nitreto de alumínio e nitreto de silício. Eles apresentam desempenhos diferentes em termos de dissipação de calor, isolamento e resistência. A escolha do material certo pode tornar a placa de circuito mais adequada às suas necessidades reais de uso.

1. PCB de cerâmica de alumina

O substrato de PCB cerâmico de alumina é o material de substrato mais comumente utilizado na indústria eletrônica. Devido à sua alta resistência e estabilidade química, em comparação com a maioria das outras cerâmicas de óxido, em termos de propriedades mecânicas, térmicas e elétricas, além da abundância de matérias-primas, é adequado para diversas técnicas de fabricação e diferentes formatos. O substrato de alumina pode ser personalizado em três dimensões.

2. PCB cerâmico de óxido de berílio

Sua condutividade térmica é maior que a do alumínio, podendo ser usada em situações em que alta condutividade térmica é necessária, mas diminui rapidamente quando a temperatura ultrapassa 300°C. O mais importante é que sua toxicidade limita seu próprio desenvolvimento.

Cerâmicas de óxido de berílio são cerâmicas cujo principal componente é o óxido de berílio. São utilizadas principalmente como substrato para circuitos integrados de grande porte, tubos de laser a gás de alta potência, invólucros dissipadores de calor de transistores, janelas de saída de micro-ondas e moderadores de nêutrons.

3. PCB de cerâmica de nitreto de alumínio

O AlN possui duas propriedades muito importantes que vale a pena destacar: uma é a alta condutividade térmica e a outra é o coeficiente de expansão correspondente ao Si. A desvantagem é que, mesmo que haja uma camada de óxido muito fina na superfície, ela afetará a condutividade térmica. Somente com o controle rigoroso dos materiais e processos é possível fabricar substratos de AlN com boa consistência. Existem poucas tecnologias de produção de AlN na China que podem ser produzidas em larga escala como o Sliton, e o preço do AlN é relativamente alto em comparação com o Al2O3, o que também representa um pequeno gargalo que restringe seu desenvolvimento. No entanto, com a melhoria da economia e da tecnologia, esse gargalo acabará desaparecendo.

Pelos motivos acima, pode-se saber que as cerâmicas de alumina são amplamente utilizadas devido ao seu desempenho abrangente superior e ainda estão em posição dominante em microeletrônica, eletrônica de potência, microeletrônica híbrida, módulos de potência e outros campos.

O AlN pode ser estabilizado até 2200°C. Sua resistência é alta à temperatura ambiente e diminui lentamente com o aumento da temperatura. Possui boa condutividade térmica, baixo coeficiente de expansão térmica e é um material com boa resistência ao choque térmico. Com forte resistência à erosão do metal fundido, é um material de cadinho ideal para fundir e fundir ferro puro, alumínio ou ligas de alumínio. 

O nitreto de alumínio também é um isolante elétrico com boas propriedades dielétricas e também é promissor para uso como componente elétrico. O revestimento de nitreto de alumínio na superfície do arsenieto de gálio pode protegê-lo da implantação iônica durante o recozimento. Também é um catalisador para a conversão de nitreto de alumínio de nitreto de boro hexagonal em nitreto de boro cúbico. Reage lentamente com água à temperatura ambiente. Pode ser sintetizado a partir de pó de alumínio a 800~1000°C em atmosfera de amônia ou nitrogênio. O produto é um pó branco a azul acinzentado. É sintetizado pela reação do sistema Al2O3-C-N2 a 1600~1750°C, e o produto é um pó esbranquiçado. O cloreto de alumínio e a amônia são preparados por reação em fase gasosa. O revestimento pode ser sintetizado a partir do sistema AlCl3-NH3 por deposição em fase gasosa.

4. PCB de cerâmica de nitreto de silício

A Rogers Company lançou o novo substrato de PCB cerâmico de nitreto de silício (Si3N4) da série curamik® em 2012. Como a resistência mecânica do nitreto de silício é maior do que a de outras cerâmicas, o novo substrato curamik® pode ajudar os projetistas a obter uma vida útil longa em ambientes de trabalho adversos e em aplicações HEV/EV e outras aplicações de energia renovável.

A resistência à flexão do novo substrato de PCB cerâmico feito de nitreto de silício é maior do que a do substrato feito de Al2O3 e AlN.

A tenacidade à fratura do Si3N4 excede até mesmo a das cerâmicas dopadas com zircônia.

Até o momento, a confiabilidade do substrato cerâmico para PCB revestido de cobre usado em módulos de potência tem sido limitada pela baixa resistência à flexão da cerâmica, o que reduz a capacidade do ciclo térmico. Para aplicações que combinam estresse térmico e mecânico extremo, como veículos híbridos e elétricos (HEV/EV), o substrato cerâmico para PCB comumente usado não é a melhor escolha. Os coeficientes de expansão térmica do substrato (PCB cerâmico) e do condutor (cobre) são muito diferentes, o que exerce pressão na área de ligação durante o ciclo térmico, reduzindo assim a confiabilidade. Este substrato cerâmico para PCB de nitreto de silício (Si3N4) da série curamik®, apresentado pela Rogers Company na exposição PCIM deste ano, prolongará a vida útil dos módulos eletrônicos de potência em 10 vezes.

Processo de fabricação de PCB de cerâmica

É essencial que a fabricação de PCBs cerâmicos siga uma série de etapas precisas. Todas essas etapas devem garantir que a placa de circuito cerâmico fabricada atenda plenamente à sua finalidade.

1. O primeiro passo na fabricação de um PCB cerâmico é analisar as necessidades, a resistência necessária, a rigidez e as propriedades associadas à sua condutividade.

2. Em segundo lugar, precisamos escolher um substrato cerâmico adequado para PCB como base. Assim como qualquer outro produto, diferentes materiais atendem a diferentes necessidades. A alumina é uma escolha popular para projetos com orçamento limitado. Nitreto de Alumínio e Óxido de Berílio são úteis quando um projeto exige alta condutividade térmica para estar na linha de frente.

3. Depois de obter a base perfeita para nossa placa de circuito impresso de cerâmica, é hora da gravação a laser, que imprimirá as impressões no circuito. Essas gravações criam um caminho para o fluxo de eletricidade. Em seguida, dependendo da complexidade do circuito, usamos a deposição de filme fino ou espesso para criar os traços condutores necessários.

4. Agora vem a etapa mais crucial: queimar a placa em temperaturas escaldantes. Esse calor intenso funde tudo, formando uma unidade coesa.

5. Mas isso ainda não acabou. A jornada das placas de circuito impresso (PCB) de cerâmica continua com a perfuração de furos para a montagem de outros componentes — como na construção de uma cidade em miniatura. Em seguida, as placas de circuito impresso de cerâmica são protegidas com um revestimento anticorrosivo.

6. Por fim, a equipe de garantia de qualidade observa e analisa cuidadosamente todo o processo de fabricação de PCBs cerâmicos. Cada etapa envolve grande atenção aos detalhes, por isso não podemos correr riscos, pois um movimento errado pode danificar todo o sistema elétrico.

É exatamente por isso que sempre recomendamos que nossos clientes procurem um fabricante confiável de PCB de cerâmica como PC Basic. Para mais informações ou para obter um orçamento, visite www.pcbasic.com.

Vantagens de CPCB erâmicos

◆ O coeficiente de expansão térmica do substrato de PCB de cerâmica é próximo ao do chip de silício, o que pode economizar fatia de Mo da camada de transição, economizar mão de obra, material e reduzir custos;

◆ Reduz a camada de soldagem, a resistência térmica, os vazios e o rendimento;

◆ Sob a mesma capacidade de condução de corrente, a largura da linha de uma folha de cobre de 0.3 mm de espessura em PCB de cerâmica é apenas 10% daquela das placas de circuito impresso comuns;

◆ A excelente condutividade térmica torna o pacote do chip muito compacto, aumentando significativamente a densidade de potência e melhorando a confiabilidade do sistema e do dispositivo;

◆ Substrato de PCB cerâmico ultrafino (0.25 mm) pode substituir BeO sem toxicidade ambiental;

◆ A capacidade de condução de corrente é grande, e uma corrente de 100 A passa continuamente por um corpo de cobre com 1 mm de largura e 0.3 mm de espessura, e a temperatura aumenta em cerca de 17 °C. Uma corrente de 100 A passa continuamente por um corpo de cobre com 2 mm de largura e 0.3 mm de espessura, e a temperatura aumenta em apenas cerca de 5 °C.

◆ Baixa resistência térmica. A resistência térmica do substrato cerâmico PCB de 10x10 mm é de 0.31 K/W para o substrato cerâmico PCB de 0.63 mm, 0.19 K/W para o substrato cerâmico PCB de 0.38 mm e 0.14 K/W para o substrato cerâmico PCB de 0.25 mm.

◆ Alto isolamento e tensão de resistência, garantindo a segurança pessoal e a capacidade de proteção dos equipamentos.

◆ Novos métodos de embalagem e montagem podem ser implementados, o que pode tornar os produtos altamente integrados e reduzir o volume.

Desempenho Requitação para CPCB erâmicos

Em dispositivos eletrônicos que operam em ambientes extremos, de alta potência e alta frequência, as placas de circuito FR4 tradicionais têm dificuldade em atender aos rigorosos requisitos de dissipação de calor, desempenho elétrico e estabilidade. As placas de circuito impresso (PCI) de cerâmica tornaram-se a escolha ideal para a nova geração de encapsulamentos e suportes de circuitos eletrônicos devido à sua excelente condutividade térmica, isolamento elétrico e confiabilidade. Vamos analisar os principais requisitos de desempenho para placas de circuito impresso de cerâmica.

Propriedades mecânicas

Com alta resistência mecânica, a placa de circuito impresso cerâmica também pode ser usada como elemento de suporte, além de transportar componentes. Possui boa processabilidade e alta precisão dimensional; é fácil de fabricar multicamadas e possui superfícies lisas, sem deformações, dobras, microfissuras, etc.

Propriedades elétricas

Alta resistência de isolamento e tensão de ruptura de isolamento; Baixa constante dielétrica; Baixa perda dielétrica; Desempenho estável sob condições de alta temperatura e alta umidade, PCB de cerâmica garante confiabilidade.

Propriedades térmicas

Alta condutividade térmica; O coeficiente de expansão térmica é compatível com os materiais relacionados (especialmente com o coeficiente de expansão térmica do Si); Excelente resistência ao calor.

Outras propriedades

Boa estabilidade química; Fácil metalização, forte adesão entre os padrões de circuito e eles; Sem higroscopicidade; Resistência a óleo e produtos químicos; A quantidade de radiação emitida é pequena; As substâncias adotadas são livres de poluição e não tóxicas; A estrutura cristalina não muda dentro da faixa de temperatura de uso; Matérias-primas ricas; Tecnologia madura; Fácil de fabricar; Preço baixo.

Sobre PCBasic

Tempo é dinheiro em seus projetos – e PC Basic recebe-lo. PCBasico é um empresa de montagem de placas que oferece resultados rápidos e impecáveis ​​sempre. Nossa abrangente Serviços de montagem de PCB incluem suporte de engenharia especializada em cada etapa, garantindo a mais alta qualidade em cada placa. Como líder fabricante de montagem de PCB, Oferecemos uma solução completa que otimiza sua cadeia de suprimentos. Faça parceria com nossos avançados Fábrica de protótipos de PCB para entregas rápidas e resultados superiores nos quais você pode confiar.

Solicitaçõess de PCBs cerâmicos

◆ Módulo semicondutor de alta potência; Refrigerador semicondutor, aquecedor eletrônico; Circuito de controle de potência de RF, circuito híbrido de potência.

◆ Componentes de energia inteligentes: fonte de alimentação de comutação de alta frequência e relé de estado sólido.

◆ Componentes eletrônicos automotivos, aeroespaciais e militares.

◆ Montagem de painéis solares; Central privada de telecomunicações, sistema de recepção; Laser e outros eletrônicos industriais.

Por que usar PCBs de cerâmica em vez de outras placas?

Comparado com o PCB FR4 tradicional ou o MCPCB de substrato metálico, o PCB de substrato cerâmico apresenta vantagens significativas em diversos indicadores-chave de desempenho. Sua excelente condutividade térmica, baixíssimo coeficiente de expansão térmica, excelente isolamento elétrico e resposta em frequência o tornam a escolha ideal para dispositivos eletrônicos de alto desempenho e alta confiabilidade, especialmente adequados para eletrônica de potência, comunicação por radiofrequência e aplicações em ambientes hostis.

Aqui, podemos observar os pontos fortes multidimensionais dos PCBs cerâmicos, especialmente em aplicações de alta potência, alta frequência e alta confiabilidade. Eles superam o FR4 e o MCPCB em áreas-chave, tornando as placas de circuito cerâmico a escolha preferida para muitos sistemas eletrônicos avançados.

Conclusão

À medida que os dispositivos eletrônicos se tornam mais compactos e potentes, a demanda por soluções térmicas e elétricas robustas aumenta. As PCBs cerâmicas se destacam por seu desempenho superior em condições extremas, tornando-as essenciais para aplicações de alta confiabilidade. Seja para o setor automotivo, aeroespacial ou LEDs de alta potência, escolher o fabricante e o substrato de PCB cerâmicos certos pode garantir o sucesso do seu produto a longo prazo.