Os tipos comuns de substrato cerâmico incluem:
- PCB de cerâmica de alumina: oferece alto custo-efetivo, condutividade térmica de aproximadamente 20–25 W/m·K, excelente isolamento e alta resistência mecânica, tornando-a adequada para a maioria das aplicações de média- a alta-potência.
- PCB de cerâmica de nitreto de alumínio: condutividade térmica de 170–230 W/m·K (e até 300 W/m·K), com um coeficiente de expansão térmica próximo ao do silício, tornando-a ideal para embalagens de semicondutores de alta-potência e aplicações de{4}alta frequência.
- PCB de cerâmica de óxido de berílio: Condutividade térmica extremamente alta (209–330 W/m·K), perdendo apenas para o diamante, adequada para embalagens de-temperaturas extremamente altas e-de alta densidade. Medidas de segurança rigorosas são necessárias durante o processamento.
- PCB de cerâmica de filme espesso: usa pasta condutora de filme grosso-impressa em tela, sinterizada para formar circuitos. Resistente a altas temperaturas e corrosão, adequado para aplicações de alta-confiabilidade.
- PCB de cerâmica de lado único versus PCB de cerâmica multicamada: placas-de face única oferecem estrutura mais simples e custo mais baixo; projetos multicamadas permitem interconexões mais complexas, frequentemente usadas em módulos-de potência de ponta.
Em alguns projetos-de alta potência, os substratos cerâmicos são combinados com processos de cobre pesado de PCB, aumentando a espessura do cobre (por exemplo, 3 onças a 10 onças) para melhorar significativamente a capacidade de corrente e a dissipação de calor.
Processos de fabricação e vantagens de desempenho
Placas PCB de cerâmica podem ser produzidas usando vários processos, cada um adequado para diferentes requisitos de espessura, precisão e custo
DPC (cobre banhado diretamente)
Processo de galvanoplastia + PVD, espessura de cobre de 10 a 140 μm, ideal para circuitos de alta-precisão.
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DBC (cobre ligado diretamente)
Ligação de oxidação de cobre a cerâmica, espessura de cobre de até 140–350 μm, adequada para projetos de PCB de cobre pesado.
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LTCC (cerâmica-co{1}}queimada em baixa temperatura)
Sinterizado a 850–900 graus, adequado para circuitos multicamadas e aplicações de alta-frequência.
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HTCC (cerâmica-queimada por co{1}}alta temperatura)
Sinterizado a 1.600–1.700 graus, adequado para ambientes-de alta temperatura.
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Processo de Filme Espesso
Impressão de camadas condutoras/dielétricas em um substrato cerâmico e depois sinterização em alta temperatura.
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Principais vantagens de desempenho
- Alta condutividade térmica (25–330 W/m·K), excedendo em muito FR-4 (aproximadamente. 0.8–1 W/m·K)
- Baixo coeficiente de expansão térmica, reduzindo a fadiga da junta de solda devido ao ciclo térmico
- Excelente isolamento, protegendo os componentes contra danos causados pelo calor
- Resistência à corrosão e a altas-temperaturas, operação estável até 800 graus
- Pode ser combinado com a tecnologia Thick Copper PCB para aumentar a densidade de potência e a confiabilidade
Aplicações Típicas
- Eletrônica de potência: módulos IGBT, placas de driver MOSFET, inversores e outros módulos de alta-potência
- Iluminação LED: substratos de LED de alta-potência para prolongar a vida útil da fonte de luz
- RF/microondas: conjuntos de antenas, módulos amplificadores de potência
- Eletrônica automotiva: controladores de motor, radar de veículo, módulos de acionamento de energia
- Equipamento médico: sondas de imagem de alta-precisão, placas de driver de laser
Nessas aplicações, a combinação de PCBs cerâmicos com a tecnologia de placas de circuito de cobre pesado pode melhorar significativamente o gerenciamento térmico e a estabilidade elétrica do sistema, prolongando a vida útil do dispositivo.
Considerações de projeto e fabricação
- Combine a espessura do cobre e a largura do traço para equilibrar a capacidade de corrente e a dissipação de calor
- Materiais de alta condutividade térmica (por exemplo, AlN, BeO) são adequados para aplicações de alta-densidade de potência e alta{3}}frequência, mas exigem compensações-de custos
- Conexões intercamadas em PCBs cerâmicos multicamadas exigem controle preciso da contração de sinterização
- Em projetos-de alta corrente, a integração de processos de PCB de cobre pesado pode aumentar ainda mais a confiabilidade
- Considere a fragilidade da cerâmica no formato da placa e no design de montagem
Resumo
Seja uma PCB de substrato cerâmico ou uma PCB cerâmica de alumina, o valor principal de uma placa de circuito impresso de cerâmica reside em fornecer suporte físico e elétrico robusto para aplicações de alto fluxo de calor, alta-frequência e alta-confiabilidade. Para projetos de engenharia que ultrapassam os limites de desempenho, uma placa de circuito de cerâmica não é apenas uma escolha de material-é um fator-chave na estabilidade do sistema.
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