As placas tradicionais de fibra de vidro FR-4 tendem a desenvolver um formato de "arco" após a soldagem por refluxo. Este é um resultado inevitável do desequilíbrio entre o estresse térmico e as propriedades físicas do material. Os PCBs tradicionais sofrem com defeitos de soldagem de componentes e mau funcionamento do equipamento devido a empenamentos. Um tipo de PCB que usa cerâmica como substrato, com sua estabilidade física quase{5}}perfeita, está se tornando a escolha principal para dispositivos eletrônicos de alta-potência ou alta confiabilidade.
Por que os substratos cerâmicos não deformam?
A causa raiz do empenamento do PCB está na incompatibilidade entre os coeficientes de expansão térmica dos materiais e a liberação de tensões internas. Os substratos FR-4 comuns são formados pela colagem de tecido de fibra de vidro e resina epóxi. A resina amolece quando aquecida e encolhe quando resfriada. A folha de cobre assimétrica em ambos os lados agrava ainda mais a deformação.
Os substratos cerâmicos possuem características totalmente diferentes. Eles usam folhas verdes de cerâmica sinterizadas de alta-temperatura como base, exibindo módulo de elasticidade muito alto e coeficiente de expansão térmica extremamente baixo. Durante a fabricação, a folha de cobre é fixada à superfície cerâmica por meio de prensagem a quente em alta-temperatura ou tecnologia de revestimento direto de cobre, obtendo uma ligação intermolecular em vez de uma simples ligação adesiva. Isto permite que a estrutura composta mantenha a estabilidade dimensional mesmo sob condições extremas de temperatura.
Cerâmica de alumina: o rei do custo-efetividade
A alumina é atualmente o material de substrato cerâmico mais utilizado, contendo entre 75% e 99,5% de alumina. Uma alta pureza de 99,5% resulta em uma superfície lisa e densa com perda dielétrica extremamente baixa, tornando-a adequada para circuitos de alta-frequência.
A condutividade térmica da alumina é de aproximadamente 24 a 28 W/(m·K), significativamente maior do que 0,3 W/(m·K) do FR-4. No entanto, ainda é insuficiente em aplicações de potência ultra-alta. Possui matérias-primas abundantes, alta resistência mecânica e excelente estabilidade química, o que o torna um excelente exemplo de produto que equilibra desempenho e custo, mantendo assim uma posição dominante nas áreas de microeletrônica e módulos de potência.
A alta condutividade térmica do nitreto de alumínio combina bem-com os wafers de silício. O surgimento da cerâmica de nitreto de alumínio resolveu o problema da insuficiente condutividade térmica da alumina, alcançando uma condutividade térmica superior a 170 W/(m·K), sete vezes maior que a da alumina e até superando a do alumínio metálico.
Mais importante ainda, o coeficiente de expansão térmica do nitreto de alumínio é extremamente próximo daquele das pastilhas de silício semicondutoras. Quando chips de alta potência-são montados diretamente no substrato, o coeficiente de expansão semelhante evita efetivamente a tensão de cisalhamento causada pelo ciclo térmico, evitando assim rachaduras no chip ou fadiga da junta de solda. Seu processo de fabricação possui requisitos extremamente elevados para controle do teor de oxigênio; quanto mais baixas forem as impurezas de oxigênio, mais forte será a condutividade térmica.
Alta condutividade térmica e limitações de toxicidade do óxido de berílio
A cerâmica de óxido de berílio apresenta condutividade térmica excepcional, superando até mesmo a do nitreto de alumínio, atingindo mais de 250 W/(m·K) à temperatura ambiente. Já foi o material preferido em campos com requisitos de dissipação de calor extremamente rigorosos.
No entanto, o pó de óxido de berílio é tóxico. Se a poeira gerada durante a produção e processamento for inalada, pode causar doenças pulmonares graves. Da mesma forma, se a poeira gerada durante o descarte for inalada, também pode causar doenças pulmonares graves. Esta falha fatal limita severamente o seu desenvolvimento. Atualmente, é usado apenas em poucos campos militares especializados com medidas de proteção abrangentes, e também em poucos campos aeroespaciais especializados com medidas de proteção abrangentes. O mercado civil foi amplamente substituído pelo nitreto de alumínio.
As principais vantagens dos PCBs cerâmicos
A vantagem mais óbvia dos substratos cerâmicos é sua forte capacidade-de transporte de corrente. Dados experimentais mostram que quando uma corrente de 100A flui continuamente através de um substrato de cobre de 0,3 mm de espessura e 1 mm, o aumento de temperatura é de apenas cerca de 17 graus. Se a espessura do cobre for aumentada para 2 mm, o aumento da temperatura pode ser controlado em até 5 graus.
Além disso, possui excelentes propriedades de isolamento que podem suportar altas tensões. Esta propriedade garante a segurança dos equipamentos e do pessoal. Como não requer adesivos orgânicos, seu desempenho é extremamente estável em ambientes com-altas temperaturas e{3}}umidade elevada. Além disso, a adesão da folha de cobre é muito forte e não se desprende devido a mudanças drásticas de temperatura, tornando sua confiabilidade muito superior à dos PCBs comuns.
Opções de fabricação para PCBs cerâmicos
Embora os substratos cerâmicos apresentem desempenho superior, sua natureza frágil limita seu uso na fabricação de placas de grandes-áreas e seu preço é muito mais alto que o FR-4. Um substrato de nitreto de alumínio com lado de 100 mm pode custar dezenas de vezes mais do que um FR-4 do mesmo tamanho.
Portanto, ele é usado principalmente em aplicações-de ponta, como LEDs de alta-potência, sistemas de ignição automotiva, fontes de alimentação comutadas de alta-frequência, aeroespacial e eletrônicos militares. Escolher um substrato cerâmico significa escolher estabilidade e confiabilidade máximas. Na pesquisa e desenvolvimento real ou na produção de pequenos-lotes, selecionar um fabricante profissional e confiável é extremamente crucial. O JEP PCB está profundamente envolvido na indústria há muitos anos, possuindo capacidades profissionais de processamento de substrato cerâmico. Da prototipagem à produção em massa, ele pode fornecer resposta rápida e suporte estável ao processo, garantindo que seu projeto de alto{8}}desempenho possa ser alcançado com precisão.
Então, no design do seu produto, você priorizará o controle de custos ou escolherá um substrato cerâmico devido ao seu aumento de temperatura de 5 graus e confiabilidade e estabilidade incomparáveis? Sinta-se à vontade para compartilhar suas opiniões na seção de comentários, curtir e compartilhar este artigo para que mais engenheiros possam ver essa-popularização científica em profundidade.