Los PCB cerámico presentan una ventaja competitiva más decisiva que sus homólogos del mundo de la fabricación de PCB. Si planea utilizar una placa de circuito impreso en máquinas de alta presión, aislamiento y temperaturas, y de bajo volumen, entonces las placas de circuito impreso de cerámica deberían encabezar su lista de PCB.
Los PCB cerámicos muestran una superconductividad térmica y un bajo coeficiente de expansión (CTE). Además, son muy versátiles, menos complicadas y ofrecen un mejor rendimiento en comparación con los PCB estándar.
¿Desea obtener más información acerca de las placas de circuito cerámicas y cómo pueden influir positivamente en el rendimiento general del sistema de su empresa? Este artículo contiene todo lo que necesita saber sobre los PCB de cerámica, desde las clasificaciones hasta las propiedades y las aplicaciones.
Bienvenido a la guía de personalización definitiva de los PCB cerámicos.
1. ¿Qué es un PCB cerámico?
El PCB cerámico contiene un residuo cerámico térmicamente transitorio y un aglutinante. El primer punto que hay que recordar es preparar la transmisión de calor, los tableros de cerámica orgánica, a una transmisión de calor de entre 9 y 20W/m. Teniendo esto en cuenta, podemos definir un PCB cerámico como un tablero que contiene materiales base de cerámica.
Los materiales son buenos conductores del calor, como la alúmina y el nitruro de aluminio. Recuerde, debe utilizar materiales de alta conductividad térmica para producir impactos inmediatos, conduciendo el calor lejos de los puntos calientes y dispersándolo por toda la superficie.
Además de los materiales base altamente conductores, deberías fabricar PCBs cerámicos usando la técnica LAM, una estrategia de galvanización por láser. Aunque los PCB de cerámica son muy versátiles, requieren una producción menos complicada con un rendimiento avanzado.
Recuerda imprimir las vías conductoras en los zócalos de cerámica para mejorar el aspecto del rendimiento de tu placa. La cerámica que usarás aquí no es la habitual que se usa en los pisos, sino que es un tipo particular de material conocido como "cerámica fina".
1.1 Tipos de PCB de cerámica
Aluminio... también puedes llamarlo A1203 o zócalo de metal. Es un tipo de tablero que tiene propiedades térmicas dieléctricas y componentes aislados eléctricamente entre los sustratos de aluminio y cobre. Lo mejor sería que usaras placas de cerámica de alúmina para disipar el calor y mantener y regular la temperatura en general.
Los ensamblajes de alúmina consisten en tres capas primarias:
- A La primera es una capa de circuito que contiene cobre de aproximadamente 1-10 onzas de ancho.
- La segunda es una capa aislante que consiste en un sustrato termotransformador y aislante eléctrico.
- La tercera capa comprende material de cobre y aluminio.
AIN- también se le puede llamar Nitruro de Aluminio. El AIN es un material cerámico comercial moderno. Contiene elementos que son reproducibles y regulados en los últimos 20 años. El AIN es una excelente alternativa a la alúmina debido a sus capacidades dieléctricas, su menor coeficiente de expansión térmica y la transmisión térmica del sonido. Además, no reacciona con la mayoría de los productos químicos de fabricación de semiconductores.
Se pueden utilizar los tableros de AIN en disipadores de calor, microondas, máquinas de procesamiento de metal fundido, sustratos de paquetes electrónicos, aislantes y otros.
2. ¿Por qué son tan populares los PCB cerámicos?
2.1 Alta expansión térmica
La primera razón por la que los tableros de cerámica son tan populares en el sector de la electrónica es su excelente coeficiente de expansión térmica. Es bueno notar que la transmisión de calor de la base de cerámica casi coincide con la del silicio y puede actuar como material de conexión. Además, se puede usar como aislante. Por lo tanto, hay un uso máximo de las propiedades térmicas de las placas de cerámica, incluso en condiciones adversas.
2.2 Estabilidad
La aplicación de la cerámica aporta una capacidad dieléctrica estable, y puede modificar el equilibrio en una pérdida parcial de radiofrecuencia para aumentar la potencia de su dispositivo. Aún así, a pesar de la dureza de la superficie, los materiales cerámicos tienen una resistencia inherente contra la erosión química. La resistencia química de la cerámica puede cambiar a la resistencia contra los líquidos y la humedad.
2.3 Versatilidad
Se pueden crear varios casos de uso para integrar un tablero de núcleo de metal con una alta expansión térmica. Además, puedes convertir el núcleo de metal en conductores fiables usando la técnica de sinterización. Por lo tanto, la aplicación del PCB cerámico es beneficiosa debido a sus altas temperaturas de procesamiento.
2.4 Durabilidad
El proceso de fabricación del tablero de cerámica crea durabilidad mediante el uso de propiedades únicas, como la resistencia. Eso evita que el PCB se desgaste. Así que puede estar seguro de que no cambiará su PCB pronto debido a su lenta capacidad de envejecimiento. Además, la alta resistencia térmica del PCB de cerámica hace que asuma un proceso de descomposición desacelerado.
2.5 Adaptabilidad
Por último, el uso de núcleos metálicos puede servir como portadores inflexibles que ofrecen rigidez mecánica. Esta propiedad facilita el uso de los PCB cerámicos en cualquier estado de la materia debido a la alta resistencia a la corrosión y al desgaste normal.
3. Clasificaciones de los PCB cerámicos
3.1 Cerámica de alta temperatura de cocción conjunta (HTCC) PCB
Puedes crear co-combustibles de alta temperatura preparando óxido de aluminio, plastificante, lubricante y disolvente. Entonces ayudaría si realizas el perfilado, la cobertura de la cortina y el trazado de circuitos en superficies refractarias, como el tungsteno. Después de eso, corta y lamina tu PCB, ponlo en un horno de alta temperatura de 16000C- 17000C, y hornea durante 32-48 horas.
Recuerde hornear en un gas minimizado, como el hidrógeno, para evitar la oxidación del tungsteno y el molibdeno.
Puedes usar placas de circuitos cerámicos producidos bajo co-combustión de alta temperatura en circuitos portadores y PCBs de pequeña escala. Es imposible utilizar estos métodos en los PCB a gran escala debido a su baja lenidad de contracción, deformación y oposición de trazado moderadamente alta de las superficies.
3.2 Placa de circuito de cerámica de baja temperatura de cocción (LTCC)
Puedes fabricar los PCB de la LTCC mezclando vidrio cristalino, vidrio compuesto y materiales adhesivos no cristalinos. Entonces ayudaría si se lleva a cabo la generación de hojas y el trazado de circuitos con una pasta de oro altamente conductiva.
El LTCC crea un conducto hacia la pasta metálica para el trazado de circuitos. Además, puedes completar el horneado de circuitos haciendo algunos cambios en el pegado de la lámina gruesa. Además, puedes mejorar la precisión del producto y la capacidad de encogimiento de tu placa.
3.3 PCB de cerámica de película gruesa
Puedes repetir una capa gruesa de pasta de oro en la impresión de tu base de cerámica. Sin embargo, debes hornear las capas a una temperatura inferior a 10000C. Aunque esta estrategia de fabricación es ideal para la producción a gran escala de placas de circuitos de cerámica, su uso es limitado debido a los altos precios del oro.
Alternativamente, puedes crear una placa de circuito de cobre de varias capas, altamente concentrada. Esa es la placa de circuito cerámico más común en la industria de fabricación de PCB en este momento.
Recuerda hornear tu placa de cerámica en gas nitrógeno para evitar la oxidación del cobre. Aparte de eso, la pasta dieléctrica producida por el gas nitrógeno es un ingrediente esencial de esta tecnología.
4. Propiedades del PCB cerámico
A diferencia de los tableros estándar que contienen sustratos hechos de fibra de vidrio epoxi, poliestireno y otros, los paneles de cerámica tienen propiedades únicas que los hacen sobresalir del resto. Estas propiedades incluyen:
A Los PCB cerámicos son buenos conductores térmicos.
Los productos químicos no erosionan rápidamente los tableros de circuitos de cerámica.
PCB cerámicos tienen una excelente intensidad mecánica compatible.
Los tableros cerámicos son fáciles de realizar trazados de alta densidad.
Por último, su compatibilidad con los elementos CTA es buena.
5. PCB cerámico-- Cerámica vs. FR4
Si quieres usar un PCB, tienes dos opciones para elegir: una placa FR4 estándar o un PCB con núcleo de metal (MCPCB). Los PCB cerámicos son placas con núcleo de metal que se pueden utilizar en dispositivos con condiciones adversas. Ofrecen ventajas únicas en comparación con las placas FR4.
Con la invención de la electrónica de vanguardia que aplica la miniaturización y la alta velocidad, los diseñadores ya no prefieren los sustratos FR4 en los casos de potencia intensiva y uso inteligente. La técnica láser utilizada en el LAM se alinea bien con el ensamblaje de alta densidad de las placas de circuito impreso y la creación de finuras.
Una diferencia significativa entre el FR4 y las placas de cerámica es su capacidad de transmisión de calor.
Los tableros FR4 tienen una capacidad de transmisión de calor abismalmente baja en comparación con los PCB de cerámica. Desde el punto de vista del metal en la química, el óxido de aluminio conduce el calor 20 veces mejor que el FR4. Además, el nitruro de aluminio y el carburo de silicio transmiten el calor 100 veces mejor que el FR4.
Las placas de circuito FR4 con altos requisitos térmicos a menudo valen la pena por su baja capacidad de transmisión de calor, utilizando piezas metálicas para conducir el calor de forma más eficaz. Las estructuras metálicas, como los Vias térmicos, los aterrizajes térmicos y los aparatos de refrigeración, se aplican para distribuir el calor de las superficies. Sin embargo, los PCB cerámicos rara vez requieren estas estructuras, ya que conducen eficientemente el calor a los rellanos térmicos, aparatos de refrigeración y paquetes de dispositivos.
También es importante señalar que los buenos conductores del calor son también buenos conductores eléctricos. Pero la cerámica va en contra de esta ley, ya que tiene una baja conductividad eléctrica, lo que le permite encajar bien en los tableros de circuitos. Aún así, se puede modificar su conductividad eléctrica a través del dopaje, el proceso utilizado para crear resistencias cerámicas.
5.1 Placa de circuito impreso de cerámica multicapa
Los PCB cerámicos tienen propiedades adicionales que son particularmente esenciales en los PCB multicapa. Las altas capacidades de transmisión de calor evitan la formación de puntos calientes en las superficies y las partes internas porque la cerámica distribuye el calor de forma uniforme por todo el PCB. Por el contrario, las placas FR4 dependen de estructuras metálicas y aparatos de refrigeración para conducir el calor desde los puntos centrales del PCB.
Los PCB multicapa dependen de Vias para llegar a las partes internas de un circuito. Los Vias del FR4 son frágiles y se rompen fácilmente durante la conducción del calor porque el cobre y el FR4 tienen diferentes coeficientes de expansión térmica.
La conductividad térmica de estos PCB genera tensión en todo el barril de Vias y los puntos de puesta. Sería de gran ayuda si se hicieran consideraciones especiales de diseño para tales superficies para evitar el fallo de la Vía.
Los PCB cerámicos contienen coeficientes de expansión térmica que coinciden estrechamente con los valores de la estructura del conductor. Eso minimiza la tensión que se monta en estas superficies durante la conducción térmica. La excelente transmisión de calor a través del PCB también asegura una expansión térmica uniforme.
En general, las cerámicas contienen una buena resistencia mecánica y pueden tolerar pesos automáticos elevados, como vibraciones y choques intensos. Presentan un módulo de Young más bajo que el FR4, lo que implica que el FR4 se distorsiona más en circunstancias similares.
6. PCB cerámico-- Aplicaciones de la cerámica PCB
Los ingenieros y diseñadores tienden a utilizar placas de cerámica más que los PCB estándar debido a su alta transmisión térmica, mínimo CTE, alta resistencia a la corrosión química y constante dieléctrica reducida.
6.1 Módulos de memoria
Uno de los principales usos de las placas de cerámica son los módulos de memoria. Estos tableros contienen circuitos incorporados de memoria, que se pueden aplicar en la fabricación de DDR SDRAM y otras piezas electrónicas basadas en la memoria. La memoria de acceso aleatorio (RAM) de los ordenadores utiliza placas de circuitos de sustrato cerámico con módulo de memoria incorporado.
6.2 Módulos de transmisión
Los circuitos de cerámica facilitan la tecnología de los radares. Los americanos fueron los primeros en utilizar placas de cerámica en la fabricación de módulos de transmisión. La tecnología es ahora ampliamente utilizada. Aprovecha las placas de cerámica de varias capas debido a su excelente conductividad térmica y sus propiedades de compatibilidad con el CTE.
6.3 Placa de interconexión multicapa
Uno de los principales puntos fuertes de las placas de cerámica es que contienen una mayor capacidad que los PCB estándar. Para decirlo de otra manera, los paneles de cerámica sostienen más partes con la misma superficie que los tableros de circuitos regulares. Por esa razón, los paneles de cerámica tienen un mayor potencial para los casos de uso.
6.4 PCB analógico/digital
Numerosas empresas informáticas han explotado los circuitos cerámicos de baja temperatura (LTCC) para producir placas de trazado de circuitos analógicos y de alta temperatura más significativas. Estas empresas utilizan actualmente los LTCC para fabricar circuitos ligeros que minimizan el peso total de las computadoras personales y disminuyen la interferencia de las interferencias.
6.5 Paneles Solares
Puedes aplicar tanto los HTCC como los LTCC para hacer paneles solares y otros paneles fotovoltaicos (PV). Estos dispositivos utilizan la tecnología de cerámica de varias capas PCB para lograr la durabilidad y la suficiente transmisión térmica.
6.6 Transmisor de energía eléctrica
Los dispositivos inalámbricos de transmisión de energía y de carga se han convertido en una electrónica básica cada vez más popular. Estos aparatos pueden fabricarse con placas de cerámica debido a sus elementos térmicos exclusivos y a su capacidad de transmisión de calor.
Puedes usar las placas de cerámica para producir un campo electromagnético que conduzca la energía de un receptor a un transmisor. Sería útil que también tuvieras bobinas de inducción para transportar la electricidad de un campo electromagnético y transformarla en corriente eléctrica, que el circuito receptor puede utilizar fácilmente. La mayoría de estos circuitos consisten en sustratos de placas de cerámica.
6.7 Enfriadores de semiconductores
Con la introducción de los aparatos de bolsillo, cada vez más componentes electrónicos se están miniaturizando. Los chips semiconductores, que cada año son más pequeños, facilitan la miniaturización de los componentes.
Estos chips emplean tecnología de microfabricación para permitir una mejor integración a velocidades avanzadas, conservando al mismo tiempo las máximas capacidades de rastreo.
Las placas estándar no pueden soportar el elevado número de capacidades de circuito necesarias para los actuales chips semiconductores. Pero la invención de los circuitos semiconductores de cerámica ha facilitado una mayor integración y capacidad en la fabricación de circuitos pequeños. Por eso consideramos que los tableros de cerámica son el futuro de la industria de los semiconductores.
6.8 LED de Alta potencia
Los sustratos de cerámica ofrecen una sub-montura máxima para las luces LED superpotentes. Los circuitos cerámicos utilizan una estrategia de película densa para capitalizar la eficiencia. En consecuencia, el calor de las luces LED no afecta la eficiencia de trabajo del circuito.
Por lo tanto, sólo los circuitos de cerámica proporcionan la eficiencia térmica necesaria para la creación de la luz LED. Los LED que utilizan circuitos de cerámica no requieren componentes de interfaz térmica, lo que minimiza el número de piezas necesarias para crear y mantener la luz LED.
7. PCB cerámico-- PCB de cerámica: Pros y contras
8. Cómo fabricar el PCB cerámico
Se pueden aplicar pastas conductoras de plata u oro para establecer conexiones de trazas en todas las capas del proceso de producción de PCBs de cerámica. Sería de gran ayuda si se colocan estos sustratos en cada capa con una técnica de serigrafía capa por capa. Además, ayudaría si perforas Vias dentro de las capas sin cocer.
Una vez que hayas impreso y apilado las capas de cerámica, deberías cocer toda la pila en un horno. Recuerde utilizar temperaturas de cocción de menos de 10000C para igualar la temperatura de sinterización de los sustratos.
El proceso de cocción a temperatura mínima facilita la aplicación de los sustratos metálicos, específicamente el oro y la plata, en los tableros de cerámica.
La alta cocción y sinterización de los tableros multicapa le permitirá incorporar elementos pasivos directamente en la sección más profunda de un tablero de cerámica.
Sin embargo, esto es imposible en los paneles FR4. La cocción y sinterización en caliente le permitirá ajustar la densidad de ensamblaje de las superficies internas.
Conclusión
Con la invención de la tecnología de chips en el mundo de la electrónica, los PCB tradicionales integrados con sustratos de base orgánica evolucionan hacia la super densidad, la buena precisión y la fiabilidad. Las placas de circuito cerámico son una nueva clase de PCBs que están ganando popularidad en el espacio de la electrónica debido a sus propiedades únicas.
Los PCB cerámicos ofrecen varias ventajas con respecto a las placas estándar. Debido a su excelente conductividad térmica y a su bajo coeficiente de expansión (CTE), los PCB cerámicos son muy versátiles, menos complicados y ofrecen un mejor rendimiento que las placas de circuito tradicionales. Los ingenieros consideran que estos PCB son la solución ideal para la miniaturización de los dispositivos electrónicos de vanguardia.