O que é PCB Cerâmico?

PCB Cerâmico, abreviação de placa de circuito impresso cerâmica, é um tipo de placa de circuito impresso avançada. Pode oferecer 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 trazem desempenho e funções únicas. Devido ao seu desempenho de dissipação de calor, capacidade de condução de corrente, isolamento e coeficiente de expansão térmica do PCB cerâmico, ele é amplamente utilizado em módulos eletrônicos de alta potência, aeroespacial e eletrônica militar. O PCB cerâmico utiliza brasagem para conectar a folha de cobre e o substrato cerâmico sob alta temperatura. Neste caso, o PCB cerâmico tem uma forte força de ligação, a folha de cobre não se solta facilmente com alta confiabilidade e alta estabilidade de desempenho sob ambiente 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). Abaixo, falamos sobre os materiais mais comuns para PCBs cerâmicos.

1. Alumina (Al2O3)

A alumina é o material de substrato mais utilizado em substratos cerâmicos, pois possui alta resistência 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 fabricações técnicas e diferentes formas. De acordo com a porcentagem de óxido de alumínio (Al2O3), pode ser dividida em porcelana 75, porcelana 96 e porcelana 99,5. As propriedades elétricas são quase inalteradas pelo diferente teor de óxido de alumínio, mas suas propriedades mecânicas e condutividade térmica variam muito. Existem mais fases vítreas em substratos de baixa pureza, e a rugosidade da superfície é grande. Quanto maior a pureza do substrato, mais liso, denso e menor a perda dielétrica, mas maior o preço.

2. BeO

Possui maior condutividade térmica que o alumínio metálico e é utilizado em situações que exigem alta condutividade térmica. A temperatura cai rapidamente após exceder 300°C, mas seu desenvolvimento é limitado por sua toxicidade.

3. AlN

Cerâmicas de nitreto de alumínio são cerâmicas com pó de nitreto de alumínio como principal fase cristalina. Comparado com substratos de cerâmica de alumina, possui maior resistência de isolamento e tensão suportável de isolamento e uma constante dielétrica menor. Sua condutividade térmica é 7 a 10 vezes maior que a da Al2O3, e seu coeficiente de expansão térmica (CTE) é aproximadamente compatível com o de pastilhas de silício, o que é crucial para chips semicondutores de alta potência. Em termos de processo de produção, a condutividade térmica do AlN é muito afetada pelo teor de impureza de oxigênio residual. A redução do teor de oxigênio pode melhorar significativamente a condutividade térmica.

PCB Cerâmico Dupla Face

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 condutiva no substrato cerâmico. Normalmente é usado em algumas aplicações que requerem alta condutividade térmica, mas não necessitam de circuito complexo.
2. PCB Multicamada:É adequado para design de circuito complexo, 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 traços condutivos e de resistência no PCB cerâmico. O PCB de filme espesso é famoso por sua durabilidade, podendo ter bom desempenho em ambientes automotivos e industriais, e outras aplicações em ambientes agressivos.

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 circuito cerâmico desenvolvida com base no processamento de filme fino cerâmico. Cerâmicas de nitreto de alumínio/óxido de alumínio são usadas como substrato de circuito, uma camada metálica é composta na superfície do substrato por pulverização, e o circuito é formado por galvanoplastia e fotolitografia.
2. PCB de Metalização por Ativação a Laser (LAM):Possui alta precisão e boa força de ligação. A camada condutiva pode ser customizada de 1μm a 1mm, e o uso de cobre puro em vez de pasta de prata pode resolver o problema de condutividade de furos e força de ligação, e o desempenho geral é mais estável.
3. PCB de Cobre por Ligação Direta (DBC):Utilizando 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 altas espessuras de cobre de 140um (4oz) a 350um (10oz).
4. PCB Cerâmico Co-fundido a Baixa Temperatura (LTCC):A tecnologia LTCC usa o mesmo método que os capacitores para fabricar diversos dispositivos cerâmicos. Eles são colocados em um forno de sinterização a 850-900°C para formar. Para alcançar interconexão elétrica entre as camadas, furos devem ser perfurados antes da impressão e preenchidos com pasta de prata.
5. PCB Cerâmico Co-fundido a Alta Temperatura (HTCC):Durante o processo de fabricação, material de vidro não será adicionado. A diferença entre HTCC e LTCC é que os PCBs HTCC são cozidos a cerca de 1600–1700 °C em atmosfera gasosa. Os PCBs HTCC possuem uma temperatura de co-fundição 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 qualquer dano, pois são projetados para operar mesmo em ambientes agressivos.

 

Vantagens dos PCBs Cerâmicos

O PCB cerâmico possui várias 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 de forma eficaz, evitando superaquecimento e garantindo que dispositivos eletrônicos de alta potência funcionem de forma normal e confiável.
2. Excelentes Propriedades Eletrônicas:O material cerâmico possui baixa perda dielétrica e boas propriedades eletrônicas, especialmente sob alta frequência. Isso torna o PCB cerâmico muito adequado para uso em circuitos digitais de radiofrequência, micro-ondas e alta velocidade e aplicações semelhantes, pois a integridade do sinal e a baixa perda de sinal são muito importantes.
3. Resistência Mecânica e Durabilidade:Em comparação com PCBs orgânicos, o PCB cerâmico possui melhor resistência mecânica e rigidez. A rigidez faz com que o PCB cerâmico suporte estresse mecânico, vibrações e choques, garantindo que o PCB cerâmico seja mais adequado para ambientes desafiadores.
4. Resistência Química:A cerâmica possui 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 os setores automotivo, aeroespacial e industrial.
5. Resistência a Altas Temperaturas:Comparado com PCBs orgânicos tradicionais, o PCB cerâmico pode suportar temperaturas mais altas, o que é muito importante para as indústrias automotiva e aeroespacial, pois os produtos eletrônicos devem funcionar de forma confiável sob altas temperaturas.
6. Menor Tamanho:O PCB cerâmico pode acomodar circuitos finos, componentes menores e interconexão de alta densidade, permitindo que os projetistas façam designs compactos. Esse recurso é importante para aplicações que exigem tamanho menor sem sacrificar o desempenho.
7. Integridade de Sinal: O PCB cerâmico pode garantir excelente integridade de sinal com base em sua baixa perda dielétrica e alta constante dielétrica, especialmente sob alta frequência. Com este recurso, o PCB cerâmico é adequado para transmissão de dados de alta velocidade e sistemas de comunicação.
8. Compatibilidade com Ambientes Agressivos:Como a cerâmica possui propriedades de resistência ao calor e a produtos químicos, ela pode funcionar bem em ambientes agressivos, por exemplo, em exploração de petróleo e gás, aplicações aeroespaciais e militares.
9. Confiabilidade e Longa Vida Útil:A combinação de alto desempenho térmico, robustez e resistência química contribui para a confiabilidade a longo prazo do PCB cerâmico, reduzindo o risco de falhas e estendendo a vida útil dos dispositivos eletrônicos.
10. Disponível Sob Medida:O PCB cerâmico pode ser customizado para atender requisitos de design específicos, incluindo material base, configuração de camadas, layout, localização de componentes, o que garante que os projetistas possam otimizar o circuito com base na aplicação.
11. Desempenho EMI/EMC:Os materiais cerâmicos oferecem inerentemente melhor desempenho de interferência eletromagnética (EMI) e compatibilidade eletromagnética (EMC) devido às suas propriedades elétricas e capacidades de blindagem.

Vista Lateral da PCB Cerâmica

Desvantagens do PCB Cerâmico

Conforme discutimos acima, o PCB cerâmico tem muitas vantagens em comparação com outros PCBs, ainda existem algumas desvantagens potenciais que precisam ser consideradas.

1. Frágil:Devido às propriedades originais da cerâmica, ela é frágil durante o manuseio, processo de montagem e testes. Portanto, a equipe de engenharia precisa prestar mais atenção ao PCB cerâmico nos processos mencionados.
2. Consideração de Custo:A cerâmica é um material com preço razoável. No entanto, após considerar todos os fatores, ainda é muito mais cara do que os PCBs tradicionais. Portanto, o projetista precisa considerar se é uma opção mais econômica fazer o design do PCB cerâmico.

Aplicação do PCB Cerâmico

• Módulo eletrônico de alta potência, componentes de bateria de energia solar
• Chave de alta frequência, relés de estado sólido
• Eletrônicos automotivos, aeroespaciais e produtos eletrônicos militares
• Produtos de iluminação LED de alta potência
• Antena de telecomunicação, ignitor automotivo

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 desempenho superior. Nos campos de 5G e novas energias, ele impulsiona a tecnologia eletrônica em direção a uma direção mais eficiente e confiável, e é um material chave para a futura fabricação eletrônica de ponta.

A Jerico PCB trabalha 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 PCBs cerâmicos nas áreas de novas energias e telecomunicações. Acreditamos que, se fizermos aquilo em que somos bons, seremos mais profissionais a cada dia com o apoio e a confiança de nossos clientes. Vamos conversar sobre seu projeto de PCB cerâmico hoje e ver como podemos levar você ao sucesso.