O que é PCB Cerâmico?

PCB Cerâmico, abreviação de placa de circuito impressa cerâmica, é um tipo avançado de placa de circuito impresso. Ela oferece excelente desempenho e confiabilidade, especialmente em aplicações eletrônicas de alto desempenho com requisitos rigorosos. Ao contrário das placas de circuito tradicionais feitas de materiais orgânicos como fibra de vidro ou resina epóxi, o PCB cerâmico utiliza materiais cerâmicos que conferem desempenho e funções únicas. Devido à sua dissipação de calor, capacidade de condução de corrente, isolamento e coeficiente de expansão térmica, o PCB cerâmico é amplamente utilizado em módulos eletrônicos de alta potência, aeroespacial e eletrônica militar. O PCB cerâmico usa um processo de ligação para conectar a folha de cobre ao substrato cerâmico em alta temperatura. Neste caso, o PCB cerâmico possui uma forte força de ligação, a folha de cobre não se desprende facilmente, oferecendo alta confiabilidade e estabilidade de desempenho em ambientes de alta temperatura e umidade.

Materiais Comuns para PCBs Cerâmicos

Muitos materiais podem ser usados para fabricar PCBs cerâmicos. Ao escolher o material para o PCB cerâmico, o projetista precisa prestar atenção a duas especificações básicas: condutividade térmica do PCB e coeficiente de expansão térmica (CTE). A seguir, abordamos os materiais mais comuns para PCBs cerâmicos.

1. Alumina (Al2O3)

A alumina é o material de substrato mais comumente usado em substratos cerâmicos porque possui alta resistência mecânica e estabilidade química em comparação com a maioria das outras cerâmicas de óxido em termos de propriedades mecânicas, térmicas e elétricas, e a fonte de matéria-prima é abundante, sendo adequada para diversas técnicas de fabricação e diferentes formatos. De acordo com a porcentagem de óxido de alumínio (Al2O3), ela pode ser dividida em cerâmica de 75%, 96% e 99,5%. As propriedades elétricas são quase não afetadas pelo diferentes teores de óxido de alumínio, mas suas propriedades mecânicas e condutividade térmica variam muito. Há mais fases de vidro em substratos de baixa pureza, e a rugosidade superficial é grande. Quanto maior a pureza do substrato, mais liso, denso e menor a perda dielétrica, mas o preço é mais alto.

2. BeO

Possui condutividade térmica maior que o alumínio metálico e é usado em situações onde se requer alta condutividade térmica. A temperatura cai rapidamente após ultrapassar 300°C, mas seu desenvolvimento é limitado pela sua toxicidade.

3. AlN

A cerâmica de nitreto de alumínio é uma cerâmica que tem o pó de nitreto de alumínio como principal fase cristalina. Em comparação com substratos cerâmicos de alumina, possui maior resistência de isolamento e tensão suportável de isolamento, além de menor constante dielétrica. Sua condutividade térmica é de 7 a 10 vezes maior que a do Al2O3, e seu coeficiente de expansão térmica (CTE) é aproximadamente compatível com o de wafers de silício, o que é crucial para chips semicondutores de alta potência. No processo de produção, a condutividade térmica do AlN é fortemente influenciada pelo teor de impurezas de oxigênio residual. A redução do teor de oxigênio pode melhorar significativamente a condutividade térmica.

PCB Cerâmico de Duas Faces

Tipos de PCBs Cerâmicos

Existem vários tipos e especificações de PCB cerâmico, cada tipo é projetado e usado para atender aplicações e requisitos específicos. Aqui estão alguns tipos comuns de PCB cerâmico:

1. PCB Cerâmico de Face Única:É o PCB cerâmico básico, com uma camada condutora sobre o substrato cerâmico. É normalmente usado em aplicações que exigem alta condutividade térmica, mas não precisam de circuitos complexos.
2. PCB Multicamadas:É adequado para projetos de circuitos complexos, interconexão de alta densidade e aplicações que exigem integridade de sinal.
3. PCB de Filme Espesso:A tecnologia de filme espesso é usada para criar trilhas condutivas e resistivas no PCB cerâmico. O PCB de filme espesso é famoso por sua durabilidade, apresentando bom desempenho em ambientes automotivos, industriais e outras aplicações em condições severas.

Os PCBs cerâmicos também podem ser divididos em diferentes tipos de acordo com os processos de fabricação:

1. PCB de Cobre por Deposição Direta (DPC):É uma tecnologia de processamento de circuitos cerâmicos desenvolvida com base no processamento de filmes finos cerâmicos. A cerâmica de nitreto de alumínio/óxido de alumínio é usada como substrato do circuito, uma camada de metal é composta na superfície do substrato por pulverização catódica (sputtering), e o circuito é formado por galvanoplastia e fotolitografia.
2. PCB de Metalização por Ativação a Laser (LAM):Possui alta precisão e boa resistência de ligação. A camada condutora pode ser personalizada de 1μm a 1mm, e usando cobre puro em vez de pasta de prata pode resolver o problema de condutividade do furo e resistência de ligação, tornando o desempenho geral mais estável.
3. PCB de Cobre Ligado Diretamente (DBC):Usando o método DBC, uma quantidade apropriada de oxigênio é introduzida entre o cobre e a cerâmica antes ou durante o processo de deposição. Este método é usado quando são necessárias espessuras de cobre altas de 140um (4oz) a 350um (10oz).
4. PCB Cerâmico de Co-queima em Baixa Temperatura (LTCC):A tecnologia LTCC usa o mesmo método dos capacitores para fabricar vários dispositivos cerâmicos. Eles são colocados em um forno de sinterização a 850-900°C para se formarem. Para obter interconexão elétrica entre as camadas, furos devem ser feitos antes da impressão e preenchidos com pasta de prata.
5. PCB Cerâmico de Co-queima em Alta Temperatura (HTCC):Durante o processo de fabricação, material de vidro não é adicionado. A diferença entre HTCC e LTCC é que os PCBs HTCC são queimados a cerca de 1600–1700 °C em atmosfera gasosa. Os PCBs HTCC têm uma temperatura de co-queima tão alta que empregam trilhas de circuito feitas de metais de alto ponto de fusão, como tungstênio, molibdênio ou manganês. Em altas temperaturas, esses PCBs podem funcionar corretamente sem danos, pois são projetados para operar até mesmo em ambientes severos.

 

Vantagens dos PCBs Cerâmicos

O PCB cerâmico possui diversas vantagens, o que o torna uma boa escolha para aplicações que exigem alto desempenho, confiabilidade e eficiência.

1. Alta Condutividade Térmica:Materiais cerâmicos como Al2O3, AlN, SiC, etc., possuem excelente condutividade térmica. Isso significa que o PCB cerâmico pode dissipar calor efetivamente, evitando superaquecimento e garantindo que dispositivos eletrônicos de alta potência funcionem de forma normal e confiável.
2. Excelentes Propriedades Elétricas:O material cerâmico tem baixa perda dielétrica e excelentes propriedades elétricas, especialmente em alta frequência. Isso torna o PCB cerâmico muito adequado para uso em radiofrequência, micro-ondas, circuitos digitais de alta velocidade e aplicações similares, pois a integridade do sinal e a baixa perda de sinal são muito importantes.
3. Resistência Mecânica e Durabilidade:Em comparação com o PCB orgânico, o PCB cerâmico possui melhor resistência mecânica e rigidez. A rigidez permite que o PCB cerâmico suporte estresse mecânico, vibração e choque, garantindo que seja mais adequado para ambientes desafiadores.
4. Resistência Química:A cerâmica tem forte resistência a produtos químicos, soluções, ácidos e álcalis. Essa resistência torna o PCB cerâmico ideal para aplicações em indústrias onde a exposição a produtos químicos agressivos é comum, como nos setores automotivo, aeroespacial e industrial.
5. Resistência a Altas Temperaturas:Em comparação com o PCB orgânico tradicional, o PCB cerâmico pode suportar temperaturas mais altas, o que é muito importante para as indústrias automotiva e aeroespacial, pois os produtos eletrônicos devem operar de forma confiável sob altas temperaturas.
6. Menor Tamanho:O PCB cerâmico permite circuitos finos, componentes menores e interconexão de alta densidade, permitindo que os projetistas criem designs compactos. Este recurso é importante para aplicações que exigem tamanho menor sem sacrificar o desempenho.
7. Integridade do Sinal: O PCB cerâmico pode garantir excelente integridade de sinal com base em sua baixa perda dielétrica e alta constante dielétrica, especialmente em alta frequência. Com esse recurso, o PCB cerâmico é adequado para sistemas de transmissão de dados em alta velocidade e comunicação.
8. Compatibilidade com Ambientes Severos:Devido às propriedades de resistência ao calor e química da cerâmica, ela pode funcionar bem em ambientes severos, como exploração de petróleo e gás, aeroespacial e aplicações militares.
9. Confiabilidade e Longa Vida Útil:A combinação de alto desempenho térmico, robustez e resistência química contribui para a confiabilidade de longo prazo do PCB cerâmico, reduzindo o risco de falhas e prolongando a vida útil dos dispositivos eletrônicos.
10. Personalização Disponível:O PCB cerâmico pode ser personalizado para atender requisitos específicos de design, incluindo material base, configuração de camadas, layout, posição dos componentes, garantindo que os projetistas possam otimizar o circuito com base na aplicação.
11. Desempenho EMI/EMC:Os materiais cerâmicos oferecem inerentemente melhor desempenho contra interferência eletromagnética (EMI) e melhor compatibilidade eletromagnética (EMC) devido às suas propriedades elétricas e capacidades de blindagem.

Vista Lateral do PCB de Cerâmica

Desvantagens do PCB Cerâmico

Como falamos acima, o PCB cerâmico tem muitas vantagens em comparação com outros PCBs, mas ainda existem algumas desvantagens potenciais a considerar.

1. Frágil:Devido às propriedades originais da cerâmica, ela é frágil durante o manuseio, processo de montagem e teste. Portanto, a equipe de engenharia precisa ter mais atenção com o PCB cerâmico nos processos mencionados.
2. Consideração de Custo:A cerâmica é um material de preço razoável. No entanto, após considerar todos os fatores, ainda é muito mais cara do que o PCB tradicional. Portanto, o projetista precisa considerar se é uma opção mais custo-efetiva fabricar o design em PCB cerâmico.

Aplicações do PCB Cerâmico

• Módulos eletrônicos de alta potência, componentes de baterias de energia solar
• Chaves de alta frequência, relés de estado sólido
• Eletrônicos automotivos, aeroespaciais e produtos eletrônicos militares
• Produtos de iluminação LED de alta potência
• Antenas de telecomunicação, ignitores automotivos

O PCB cerâmico tornou-se uma escolha ideal para aplicações de alta potência e alta frequência devido à sua excelente condutividade térmica, alta estabilidade e excelente desempenho. Nos campos de 5G e novas energias, está impulsionando a tecnologia eletrônica em direção a um caminho mais eficiente e confiável, sendo um material-chave para a futura fabricação eletrônica de alto padrão.

A Jerico PCB atua profundamente na fabricação de PCBs cerâmicos há 16 anos, desde 2009. Apoiamos centenas de projetos, do conceito ao protótipo e à produção em massa, com nosso serviço confiável e de alto desempenho de fabricação de PCB cerâmico nas áreas de novas energias e telecomunicações. Acreditamos que, se fizermos o que fazemos de melhor, nos tornaremos mais profissionais a cada dia com o apoio e a confiança de nossos clientes. Vamos conversar sobre o seu projeto de PCB cerâmico hoje e ver como podemos trazer sucesso para você.