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¿Qué es el PCB cerámico?

Placa de circuito impreso de cerámica

Con el desarrollo de los componentes de chip y la tecnología de montaje en superficie (SMT) en la industria electrónica, las placas de circuito impreso tradicionales con laminados orgánicos como material de base están evolucionando hacia la alta densidad, la alta precisión y la alta fiabilidad. Ni que decir tiene que el PCB cerámico, como tipo relativamente nuevo de placa de circuito impreso, se ha utilizado ampliamente en la industria electrónica durante años, y es una opción más viable para los diseñadores de PCB, considerada como una solución eficaz para la realización de la miniaturización de los productos electrónicos modernos y la tecnología de montaje electrónico. Encontrará que el PCB cerámico tiene una ventaja sobre la placa de circuito impreso tradicional, es más, el PCB cerámico es más versátil, menos complejo y ofrece un rendimiento superior debido a su alta conductividad térmica y su mínimo coeficiente de expansión (CTE).

Los PCB cerámicos han dejado de ser un sustrato exótico y ahora son muy accesibles para los diseñadores de PCB. Los avances en las técnicas de producción recientes, como el Cobreado Directo (DPC) y la Soldadura Metálica Avanzada (AMB), han hecho de la cerámica una opción mucho más viable. La miniaturización que ofrece el DPC para la microelectrónica y la necesidad de sustratos capaces de soportar altas temperaturas de funcionamiento de hasta 800°C, al tiempo que ofrecen una conductividad térmica extraordinaria (hasta 180W/mK), hacen que estos sustratos sean más populares que nunca.

¿Qué es el PCB cerámico?

circuito impreso de cerámica

El PCB cerámico es un tipo de polvo cerámico conductor del calor y un aglutinante orgánico, y el PCB cerámico orgánico conductor del calor se prepara con una conductividad térmica de 9-20W/m. En otras palabras, el PCB de cerámica es una placa de circuito impreso con material de base de cerámica, que son materiales altamente conductores del calor como la alúmina, el nitruro de aluminio, así como el óxido de berilio, que pueden hacer un efecto rápido en la transferencia de calor lejos de los puntos calientes y disiparlo en toda la superficie. Además, la PCB cerámica se fabrica con la tecnología LAM, que es una tecnología de metalización de activación rápida por láser. Así pues, la PCB cerámica es muy versátil y puede sustituir a toda la placa de circuito impreso tradicional con una construcción menos complicada y con un mayor rendimiento.

Tipos de PCB cerámicos

Existen tres tipos principales de PCB de cerámica en el mercado electrónico en función del método de fabricación.

  1. PCB de cerámica de alta temperatura
  2. PCB de cerámica de baja temperatura
  3. PCB de cerámica de capa gruesa

Alta temperatura

Como sabe, la alta temperatura puede ser el tipo de cerámica más popular. En general, la placa de circuito impreso de cerámica diseñada para altas temperaturas suele considerarse como circuito de cerámica cocida de alta temperatura (HTCC), que se compone de cerámica cruda con disolvente, adhesivo de mezcla, plastificante, lubricante, así como óxido de aluminio.

En primer lugar, se fabrica con el material cerámico en bruto, en segundo lugar, se recubre el material, y después se realiza el trazado del circuito sobre metales de tungsteno o molibdeno. Finalmente, si se consigue el trazado del circuito, puede hornear las placas entre 1600 y 1700 grados Celsius durante un máximo de 48 horas después de la laminación. Todo el horneado HTCC se realiza en un entorno gaseoso, como en el gas hidrógeno.

Baja temperatura

A diferencia de la HTCC, la placa de circuito impreso de cerámica cocida a baja temperatura se compone de la combinación de vidrio cristalino con un sustrato adhesivo sobre chapa metálica con pasta de oro. A continuación, se corta y se lamina la placa de circuito impreso antes de introducirla en un horno de gas a unos 900 grados centígrados.

Además, la placa de circuito impreso de cerámica cocida a baja temperatura se beneficia de una menor deformación y de una mayor tolerancia a la contracción. En otras palabras, en comparación con el HTCC y otros tipos de PCB de cerámica, el PCB de cerámica tiene s mejor intensidad mecánica y conductividad térmica. Por lo tanto, al utilizar los productos de disipación de calor, como las luces LED, hay una ventaja para el beneficio térmico de LTCC.

Cerámica de capa gruesa

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La placa de circuito impreso de cerámica de capa gruesa, el espesor de su capa conductora puede superar las 10 micras, pero no más de 13 micras. En general, la capa conductora es la impresión del paladio de plata o de oro en la superficie del PCB de cerámica. Es decir, la PCB cerámica de capa gruesa incluye oro y pastas dieléctricas, que se hace sobre un material base de cerámica, y las pastas y el respaldo a una temperatura de 1000 grados Celsius o menos después de trabajar. Por ello, la PCB cerámica de capa gruesa es muy utilizada por la mayoría de los fabricantes de PCB debido al alto coste de la pasta conductora de oro.

La principal ventaja del PCB de cerámica de capa gruesa sobre el PCB tradicional es que la cerámica de capa gruesa puede proteger el cobre de la oxidación. Por lo tanto, un fabricante de PCB de cerámica puede poner conductores intercambiables, semiconductores, conductores, condensadores eléctricos o resistencias en la placa de cerámica. Después de lograr el proceso de impresión y sinterización a alta temperatura, todos los componentes de la placa pueden ser recortados con láser a sus valores deseados.

Existe una confusión sobre el número de capas en una placa de circuito impreso de cerámica, pero esto lo deciden los tipos de placa de circuito impreso de cerámica. El número mínimo de capas utilizado en la PCB de cerámica es de dos capas, sin embargo, puede haber algunas capas más en función de las propiedades del producto.

Las ventajas de los PCB de cerámica

La disipación del calor es la principal ventaja que tiene la cerámica frente a otros materiales más convencionales como el FR-4 y el PCB revestido de metal. Como los componentes se colocan directamente en las placas y no hay capa de aislamiento, el flujo de calor a través de las placas es mucho más eficiente. Además, el material cerámico puede soportar altas temperaturas de funcionamiento (hasta 350°C), y, lo que, es más, tiene un coeficiente de expansión térmica (CTE) bastante bajo, lo que permite opciones adicionales de compatibilidad para el diseño de las placas de circuito impreso.  

En comparación con las placas de circuito impreso tradicionales cuyos materiales de sustrato son la fibra de vidrio epoxi, la poliimida, el poliestireno y la resina fenólica, las placas de circuito impreso cerámicas presentan las siguientes propiedades

  • Excelente conductividad térmica
  • Resistencia a la erosión química
  • Intensidad mecánica compatible
  • Facilitan la realización de trazados de alta densidad
  • Compatibilidad con los componentes CTA

Por lo tanto, se puede ver que las razones por las que la placa de circuito impreso de cerámica es tan popular son las siguientes

Alta expansión térmica

tecnología de pcb cerámica

Una de las razones por las que la placa de circuito impreso de cerámica se utiliza ampliamente en la industria electrónica es porque tiene un alto coeficiente de expansión térmica. La conductividad térmica de la base cerámica surge siendo bastante cercana al silicio, mientras que bajo la mayoría de los metales de conexión utilizados al mismo tiempo. No hace falta decir que puede desempeñar el papel de gran aislante durante mucho tiempo. Por lo tanto, existe una propiedad óptima para la alta conductividad térmica de la placa de circuito impreso de cerámica, incluso bajo temperaturas elevadas, para que pueda ser utilizada en muchos dispositivos.

Estabilidad

Hay una propiedad dieléctrica estable debido al uso de la cerámica, el equilibrio puede cambiar en una pérdida de radiofrecuencia limitada de modo que el aumento de la aplicabilidad del dispositivo electrónico. Además, a pesar de la dureza exterior, la cerámica tiene una resistencia natural para la mayoría de los productos químicos utilizados debido a la base cerámica del PCB. Por lo tanto, la resistencia a los productos químicos cambiará a la resistencia a la humedad diaria, a los disolventes, así como a los consumibles.  

Versatilidad

No es de extrañar que la incorporación de PCB con núcleo metálico pueda conseguir una gran cantidad de aplicaciones con un punto de fusión elevado. La pasta de metal noble puede ser un conductor altamente infalible gracias a la tecnología de sinterización. Así que no hay duda de que el uso de PCB de cerámica hace un efecto al ser de alta temperatura de procesamiento mientras que hay diferentes dispositivos para diferentes temperaturas de funcionamiento. Lo interesante es que también permite una buena conductividad térmica y la distribución del calor a las diferentes posiciones de un dispositivo.

Durabilidad

Como sabe, existe una durabilidad en el proceso de fabricación de placas de circuito impreso de cerámica. Debido a las propiedades esenciales de la cerámica, especialmente la dureza, que puede asegurar que la prevención de su tablero de desgaste diario. Debido a que la placa de circuito impreso de cerámica tiene una propiedad de envejecimiento bastante lenta con la consistencia de la placa de circuito impreso de base, puede ser cambiada sin preocuparse de su reemplazo pronto. Lo que, es más, tiene una alta resistencia térmica ya que puede cambiar a un proceso de descomposición ralentizado por lo que extiende la duración de la vida útil.

Adaptabilidad

Por último, una de las ventajas destacadas de la placa de circuito impreso de cerámica es que al utilizar el núcleo metálico en el proceso de ingeniería. Puede cambiar para ser los portadores rígidos de modo que proporciona rigidez mecánica, lo que hace que sea fácil de usar entre los fluidos y los sólidos como la rugosidad y la resistencia al desgaste son grandes, por lo que puede ser utilizado en varias posiciones industriales.

¿Por qué utilizar placas de circuito impreso de cerámica en lugar de otras placas?

Ceramic PCB

Conductividad térmica

Como usted sabe, la cerámica tiene más ventajas en comparación con el MCPCB, como la gran característica de la alta temperatura de trabajo, la alta conductividad térmica, el buen aislamiento y el rendimiento térmico, que puede hacer una diferencia de material. Es más, el PCB de cerámica tiene una alta conductividad térmica eficiente.

Comparación de precios

Sólo en los productos con una gran propiedad se puede ver el PCB de cerámica, sin embargo, no existe en los productos ordinarios. Así que la cerámica está sustituyendo a la totalidad de las placas de circuito impreso para reducir la complejidad de la fabricación y el diseño, así como para mejorar el rendimiento.

Prácticas tecnológicas

Debido a que el PCB de cerámica tiene una alta conductividad térmica, estabilidad e inercia, lo que, es más, tiene un CTE compatible con el portador de chips de cerámica de plomo y la característica, por lo que no hay duda de que el PCB de cerámica es la solución óptima para derrotar el fracaso del ciclo térmico. Hay tres catálogos de prácticas de PCB de cerámica: PCB de cerámica cocida de alta temperatura, PCB de cerámica de película gruesa y PCB de cerámica cocida de baja temperatura.

¿Cómo se fabrica el PCB de cerámica?

En primer lugar, puede utilizar las pastas conductoras de plata u oro para colocar las conexiones de trazado en cada capa en el proceso de fabricación de PCB de cerámica. En general, los elementos metálicos o el sustrato se colocan en cada capa con un proceso de serigrafía capa a capa. Además, también puede perforar mecánicamente las vías en una capa no quemada, o perforar las microvías con un láser.  

En segundo lugar, después de imprimir y apilar las capas de cerámica, cocerá toda la pila en un horno. En general, lo que necesita la temperatura de cocción para hornear la placa de circuito impreso de cerámica es menos de 1000 °C, que coincide con la temperatura de sinterización del material de las pastas de oro o plata. Así que el proceso de horneado a baja temperatura es lo que permite el oro o la plata en los PCB de cerámica.

Sin embargo, el proceso de prensado/horneado y sinterización de los PCB multicapa facilita la integración inmediata de componentes pasivos en las capas internas de un PCB cerámico. Esto es imposible en una placa fabricada con material FR-4, por lo que el diseñador de PCB puede aumentar la densidad de componentes y conexiones en las capas internas.

Aplicación de la placa de circuito impreso de cerámica

En la actualidad, la placa de circuito impreso de cerámica se utiliza ampliamente por su alta conductividad térmica, su bajo CET, su baja constante dieléctrica y su resistencia a la erosión química.

Módulo de memoria

Por ejemplo, una empresa de Japón ha creado un módulo de memoria SRAM de 1Mbit haciendo uso de placas de circuito impreso cerámicas multicapa que contienen 4 chips IC, lo que contribuye a una alta fiabilidad y a un montaje de alta densidad. Además, una empresa estadounidense había creado misiles, productos de telecomunicaciones y productos aeroespaciales con PCB de cerámica. La característica común de todos ellos es que pueden utilizarse en entornos extremos. El PCB cerámico multicapa y los componentes de embalaje tienen suficiente intensidad y capacidad de resistencia a las vibraciones de los golpes en la ojiva.

Módulo de recepción/transmisión

Hay una empresa estadounidense que crea un módulo de recepción/transmisión para radar con PCB de cerámica. El nitruro de aluminio tiene una alta conductividad térmica y un bajo CTE, lo que supone una buena base para la PCB cerámica en el módulo de recepción/transmisión.

Placa de interconexión multicapa

Hay más componentes en la misma área de PCB para que el PCB cerámico sea compatible con la miniaturización de los productos electrónicos, tiene más probabilidades para el PCB cerámico en la aplicación de placa de interconexión multicapa.

PCB analógico/digital

Además, una empresa de Japón utilizó el PCB LTCC para fabricar el PCB analógico/digital de modo que reduce la capacitancia parásita en unas nueve décimas. No sólo supera eficazmente las interferencias por diafonía del trazado del circuito, sino que también reduce el volumen y el peso del circuito.

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