¿Qué es una PCB de cerámica?

La PCB de cerámica, abreviatura de placa de circuito impreso de cerámica, es un tipo de placa de circuito impreso avanzada. Puede ofrecer un rendimiento y una fiabilidad excelentes, especialmente en aplicaciones electrónicas de alto rendimiento con requisitos estrictos. A diferencia de las placas de circuito tradicionales hechas de materiales orgánicos como fibra de vidrio o resina epoxi, las PCB de cerámica utilizan materiales cerámicos que aportan un rendimiento y unas funciones únicos. Debido a su rendimiento de disipación de calor, capacidad de conducción de corriente, aislamiento y coeficiente de expansión térmica de las PCB de cerámica, se utilizan ampliamente en módulos electrónicos de alta potencia, aeroespacial y electrónica militar. Las PCB de cerámica utilizan unión para conectar el papel de aluminio y el sustrato cerámico bajo alta temperatura. En este caso, la PCB de cerámica tiene una fuerte fuerza de unión, el papel de aluminio no se desprende fácilmente con alta fiabilidad, y alta estabilidad de rendimiento bajo entornos de alta temperatura y humedad.

Materiales comunes para PCB de cerámica

Se pueden utilizar muchos materiales para fabricar PCB de cerámica. Al elegir el material para la PCB de cerámica, el diseñador debe prestar atención a las dos especificaciones básicas: la conductividad térmica de la PCB y el coeficiente de expansión térmica (CTE). A continuación, hablaremos de los materiales más comunes para las PCB de cerámica.

1. Alúmina (Al2O3)

La alúmina es el material de sustrato más utilizado en sustratos cerámicos porque tiene alta resistencia y estabilidad química en comparación con la mayoría de las otras cerámicas de óxido en términos de propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas, y la fuente de materia prima es abundante, lo que es adecuado para diversas fabricaciones técnicas y diferentes formas. Según el porcentaje de óxido de aluminio (Al2O3), se puede dividir en porcelana del 75%, porcelana del 96% y porcelana del 99,5%. Las propiedades eléctricas apenas se ven afectadas por el diferente contenido de óxido de aluminio, pero sus propiedades mecánicas y conductividad térmica varían mucho. Hay más fases de vidrio en sustratos de baja pureza, y la rugosidad de la superficie es grande. Cuanto mayor sea la pureza del sustrato, más suave, denso y menor será la pérdida dieléctrica, pero mayor será el precio.

2. BeO

Tiene una conductividad térmica mayor que la del aluminio metálico y se utiliza en situaciones que requieren alta conductividad térmica. La temperatura desciende rápidamente después de superar los 300 °C, pero su desarrollo se ve limitado por su toxicidad.

3. AlN

Las cerámicas de nitruro de aluminio son cerámicas con polvo de nitruro de aluminio como fase cristalina principal. En comparación con los sustratos de cerámica de alúmina, tiene mayor resistencia de aislamiento y voltaje de ruptura dieléctrica y una constante dieléctrica más baja. Su conductividad térmica es de 7 a 10 veces la de Al2O3, y su coeficiente de expansión térmica (CTE) coincide aproximadamente con el de las obleas de silicio, lo que es crucial para los chips semiconductores de alta potencia. En cuanto al proceso de producción, la conductividad térmica de AlN se ve muy afectada por el contenido de impurezas de oxígeno residual. La reducción del contenido de oxígeno puede mejorar significativamente la conductividad térmica.

Cerámica PCB Dos Lados

Tipos de PCB de cerámica

Existen varios tipos y especificaciones de PCB de cerámica, cada tipo está diseñado y se utiliza para cumplir aplicaciones y requisitos específicos. Aquí hay algunos tipos comunes de PCB de cerámica;

1. PCB de cerámica de una cara:Es la PCB de cerámica básica, y hay una capa conductora en el sustrato cerámico. Normalmente se utiliza en algunas aplicaciones que requieren alta conductividad térmica pero no necesitan circuitos complejos.
2. PCB multicapa:Es adecuada para diseños de circuitos complejos, interconexión de alta densidad y aplicaciones que requieren integridad de señal.
3. PCB de película gruesa:La tecnología de película gruesa se utiliza para crear pistas conductoras y de resistencia en PCB de cerámica. La PCB de película gruesa es famosa por su durabilidad, puede funcionar bien en entornos automotrices e industriales y otras aplicaciones en entornos hostiles.

Las PCB de cerámica también se pueden dividir en diferentes tipos según los procesos de fabricación;

1. PCB de cobre de plateado directo (DPC):Es una tecnología de procesamiento de circuitos cerámicos desarrollada sobre la base del procesamiento de películas delgadas cerámicas. Se utilizan cerámicas de nitruro de aluminio/óxido de aluminio como sustrato del circuito, se compone una capa metálica en la superficie del sustrato mediante pulverización catódica, y el circuito se forma mediante galvanoplastia y fotolitografía.
2. PCB de metalización por activación láser (LAM):Tiene alta precisión y buena fuerza de unión. La capa conductora se puede personalizar de 1μm a 1 mm, y el uso de cobre puro en lugar de pasta de plata puede resolver el problema de la conductividad de los orificios y la fuerza de unión, y el rendimiento general es más estable.
3. PCB de cobre de unión directa (DBC):Utilizando el método DBC, se introduce una cantidad adecuada de oxígeno entre el cobre y la cerámica antes o durante el proceso de deposición. Este método se utiliza cuando se requieren altos espesores de cobre de 140um (4oz)-350um (10oz).
4. PCB de cerámica co-cocida a baja temperatura (LTCC):La tecnología LTCC utiliza el mismo método que los condensadores para fabricar varios dispositivos cerámicos. Se colocan en un horno de sinterización a 850-900 °C para formarse. Para lograr la interconexión eléctrica entre capas, se deben perforar orificios antes de la impresión y rellenarlos con pasta de plata.
5. PCB de cerámica co-cocida a alta temperatura (HTCC):Durante el proceso de fabricación, no se añadirá material de vidrio. La diferencia entre HTCC y LTCC es que las PCB HTCC se hornean a unos 1600-1700 °C en una atmósfera gaseosa. Las PCB HTCC tienen una temperatura de co-cocción tan alta que emplean pistas de circuito hechas de metales de alto punto de fusión como tungsteno, molibdeno o manganeso. A altas temperaturas, estas PCB pueden funcionar correctamente sin ningún daño, ya que están diseñadas para operar incluso en entornos hostiles.

 

Ventajas de las PCB de cerámica

Las PCB de cerámica tienen varias ventajas, lo que las convierte en una buena opción para aplicaciones que requieren alto rendimiento, fiabilidad y eficiencia.

1. Alta conductividad térmica:Los materiales cerámicos Al2O3, AlN, SiC, etc. tienen una excelente conductividad térmica. Esto significa que las PCB de cerámica pueden disipar el calor de manera efectiva, para evitar el sobrecalentamiento y garantizar que los dispositivos electrónicos de alta potencia puedan funcionar de forma normal y fiable.
2. Excelentes propiedades electrónicas:El material cerámico tiene baja pérdida dieléctrica y buenas propiedades electrónicas, especialmente a alta frecuencia. Esto hace que las PCB de cerámica sean muy adecuadas para su uso en circuitos digitales de radiofrecuencia, microondas y alta velocidad y aplicaciones similares, ya que la integridad de la señal y la baja pérdida de señal son muy importantes.
3. Resistencia mecánica y durabilidad:En comparación con las PCB orgánicas, las PCB de cerámica tienen mejor resistencia mecánica y rigidez. La rigidez hace que las PCB de cerámica puedan soportar estrés mecánico, vibraciones y golpes, y garantiza que las PCB de cerámica sean más adecuadas en entornos desafiantes.
4. Resistencia química:La cerámica tiene una fuerte resistencia a productos químicos, soluciones, ácidos y álcalis. Esta resistencia hace que las PCB de cerámica sean ideales para aplicaciones en industrias donde la exposición a productos químicos agresivos es común, como los sectores automotriz, aeroespacial e industrial.
5. Resistencia a altas temperaturas:En comparación con las PCB orgánicas tradicionales, las PCB de cerámica pueden soportar temperaturas más altas, lo que es muy importante para las industrias automotriz y aeroespacial, ya que los productos electrónicos deben funcionar de manera fiable a altas temperaturas.
6. Más pequeñas en tamaño:Las PCB de cerámica pueden tener circuitos finos, componentes más pequeños e interconexiones de alta densidad, por lo que los diseñadores pueden realizar diseños compactos. Esta característica es importante para aplicaciones que requieren un tamaño más pequeño sin sacrificar el rendimiento.
7. Integridad de la señal: Las PCB de cerámica pueden garantizar una excelente integridad de la señal sobre la base de su baja pérdida dieléctrica y alta constante dieléctrica, especialmente a alta frecuencia. Con esta característica, las PCB de cerámica son adecuadas para sistemas de transmisión de datos y comunicación de alta velocidad.
8. Compatibilidad con entornos hostiles:Dado que la cerámica tiene propiedades de resistencia al calor y a los productos químicos, puede funcionar bien en entornos hostiles, por ejemplo, en exploración de petróleo y gas, aplicaciones aeroespaciales y militares.
9. Fiabilidad y larga vida útil:La combinación de alto rendimiento térmico, robustez y resistencia química contribuye a la fiabilidad a largo plazo de las PCB de cerámica, reduciendo el riesgo de fallos y extendiendo la vida útil de los dispositivos electrónicos.
10. Personalización disponible:Las PCB de cerámica se pueden personalizar para cumplir requisitos de diseño específicos, incluyendo material base, configuración de capas, diseño, ubicación de componentes, lo que garantiza que los diseñadores puedan optimizar el circuito según la aplicación.
11. Rendimiento EMI/EMC:Los materiales cerámicos ofrecen intrínsecamente un mejor rendimiento de interferencia electromagnética (EMI) y compatibilidad electromagnética (EMC) debido a sus propiedades eléctricas y capacidades de blindaje.

Vista lateral de PCB de cerámica

Desventajas de las PCB de cerámica

Como hemos comentado anteriormente, las PCB de cerámica tienen muchas ventajas en comparación con otras PCB, todavía hay algunas desventajas potenciales a considerar.

1. Frágiles:Debido a las propiedades originales de la cerámica, es frágil durante el manejo, el proceso de ensamblaje y las pruebas. Por lo tanto, el personal de ingeniería debe prestar más atención a la PCB de cerámica en los procesos mencionados.
2. Consideración de costos:La cerámica es un material a precio razonable. Sin embargo, después de considerar todos los factores, sigue siendo mucho más cara que las PCB tradicionales. Por lo tanto, el diseñador debe considerar si es una opción más rentable hacer el diseño de PCB de cerámica.

Aplicación de PCB de cerámica

• Módulo electrónico de gran potencia, componentes de batería de energía solar
• Interruptor de alimentación de alta frecuencia, relés de estado sólido
• Electrónica automotriz, aeroespacial y productos electrónicos militares
• Productos de iluminación LED de alta potencia
• Antena de telecomunicaciones, encendedor de automóvil

Las PCB de cerámica se han convertido en una opción ideal para aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia debido a su excelente conductividad térmica, alta estabilidad y excelente rendimiento. En los campos del 5G y la nueva energía, está impulsando la tecnología electrónica hacia una dirección más eficiente y fiable, y es un material clave para la futura fabricación electrónica de alta gama.

Jerico PCB ha estado trabajando profundamente en la fabricación de PCB de cerámica durante 16 años, desde 2009. Hemos apoyado cientos de proyectos desde el concepto hasta el prototipo y la producción en masa con nuestro servicio de fabricación de PCB de cerámica fiable y de alto rendimiento en las áreas de nueva energía y telecomunicaciones. Creemos que si hacemos lo que mejor sabemos hacer, seremos cada día más profesionales con el apoyo y la confianza de nuestros clientes. Hablemos hoy de su proyecto de PCB de cerámica y veamos cómo podemos llevarle al éxito.