Los tableros tradicionales de fibra de vidrio FR-4 tienden a desarrollar una forma de "arco" después de la soldadura por reflujo. Este es un resultado inevitable del desequilibrio entre el estrés térmico y las propiedades físicas del material. Los PCB tradicionales sufren defectos de soldadura de componentes y mal funcionamiento del equipo debido a la deformación. Un tipo de PCB que utiliza cerámica como sustrato, con su estabilidad física casi-perfecta, se está convirtiendo en la opción principal para dispositivos electrónicos de alta-potencia o alta confiabilidad.
¿Por qué los sustratos cerámicos no se deforman?
La causa fundamental de la deformación de las PCB radica en el desajuste entre los coeficientes de expansión térmica de los materiales y la liberación de tensiones internas. Los sustratos FR-4 ordinarios se forman uniendo tela de fibra de vidrio y resina epoxi. La resina se ablanda cuando se calienta y se encoge cuando se enfría. La lámina de cobre asimétrica en ambos lados agrava aún más la deformación.
Los sustratos cerámicos poseen características completamente diferentes. Utilizan láminas verdes de cerámica sinterizada a alta-temperatura como base, que exhiben un módulo elástico muy alto y un coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo. Durante la fabricación, la lámina de cobre se adhiere a la superficie cerámica mediante prensado en caliente a alta-temperatura o tecnología de revestimiento de cobre directo, logrando una unión intermolecular en lugar de una simple unión adhesiva. Esto permite que la estructura compuesta mantenga la estabilidad dimensional incluso en condiciones de temperatura extremas.
Cerámica de alúmina: el rey de la rentabilidad-efectividad
La alúmina es actualmente el material de sustrato cerámico más utilizado y contiene entre un 75% y un 99,5% de alúmina. Una alta pureza del 99,5 % da como resultado una superficie lisa y densa con una pérdida dieléctrica extremadamente baja, lo que la hace adecuada para circuitos de alta-frecuencia.
La conductividad térmica de la alúmina es aproximadamente de 24 a 28 W/(m·K), significativamente mayor que los 0,3 W/(m·K) del FR-4. Sin embargo, todavía se queda corto en aplicaciones de potencia ultraalta. Cuenta con abundantes materias primas, alta resistencia mecánica y excelente estabilidad química, lo que lo convierte en un excelente ejemplo de un producto que equilibra rendimiento y costo, manteniendo así una posición dominante en los campos de la microelectrónica y los módulos de potencia.
La alta conductividad térmica del nitruro de aluminio-se adapta bien a las obleas de silicio. La aparición de las cerámicas de nitruro de aluminio ha solucionado el problema de la insuficiente conductividad térmica de la alúmina, consiguiendo una conductividad térmica superior a los 170 W/(m·K), siete veces la de la alúmina e incluso superando a la del aluminio metálico.
Más importante aún, el coeficiente de expansión térmica del nitruro de aluminio es extremadamente cercano al de las obleas de silicio semiconductor. Cuando los chips de alta-potencia se montan directamente sobre el sustrato, el coeficiente de expansión similar evita efectivamente la tensión de corte causada por el ciclo térmico, evitando así el agrietamiento del chip o la fatiga de la junta de soldadura. Su proceso de fabricación tiene requisitos extremadamente altos para el control del contenido de oxígeno; cuanto menores sean las impurezas de oxígeno, mayor será la conductividad térmica.
Alta conductividad térmica y limitaciones de toxicidad del óxido de berilio
Las cerámicas de óxido de berilio exhiben una conductividad térmica excepcional, superando incluso a la del nitruro de aluminio, alcanzando más de 250 W/(m·K) a temperatura ambiente. Alguna vez fue el material preferido en campos con requisitos de disipación de calor extremadamente estrictos.
Sin embargo, el polvo de óxido de berilio es tóxico. Si se inhala el polvo generado durante la producción y el procesamiento, puede provocar enfermedades pulmonares graves. Del mismo modo, si se inhala el polvo generado durante la eliminación, también puede provocar enfermedades pulmonares graves. Este defecto fatal limita severamente su desarrollo. Actualmente, sólo se utiliza en muy pocos campos militares especializados con medidas de protección integrales, y también en muy pocos campos aeroespaciales especializados con medidas de protección integrales. El mercado civil ha sido sustituido en gran medida por el nitruro de aluminio.
Las principales ventajas de los PCB cerámicos
La ventaja más obvia de los sustratos cerámicos es su fuerte-capacidad de carga de corriente. Los datos experimentales muestran que cuando una corriente de 100 A fluye continuamente a través de un sustrato de cobre de 0,3 mm de espesor de 1 mm, el aumento de temperatura es de solo alrededor de 17 grados. Si el espesor del cobre aumenta a 2 mm, el aumento de temperatura se puede controlar dentro de los 5 grados.
Además, tiene excelentes propiedades de aislamiento que pueden soportar altos voltajes. Esta propiedad garantiza la seguridad del equipo y del personal. Debido a que no requiere adhesivos orgánicos, su rendimiento es extremadamente estable en ambientes de alta-temperatura y alta-humedad. Además, la adhesión de la lámina de cobre es muy fuerte y no se desprende debido a cambios drásticos de temperatura, lo que hace que su confiabilidad sea muy superior a la de los PCB comunes.
Opciones de fabricación para PCB cerámicos
Aunque los sustratos cerámicos presentan un rendimiento superior, su naturaleza frágil limita su uso en la fabricación de tableros de gran-área y su precio es mucho más alto que el del FR-4. Un sustrato de nitruro de aluminio de 100 mm de lado puede costar decenas de veces más que un FR-4 del mismo tamaño.
Por lo tanto, se utiliza principalmente en aplicaciones de gama alta-como LED de alta-potencia, sistemas de encendido de automóviles, fuentes de alimentación conmutadas de alta-frecuencia y electrónica aeroespacial y militar. Elegir un sustrato cerámico significa elegir la máxima estabilidad y fiabilidad. En la investigación y el desarrollo reales o en la producción-de lotes pequeños, seleccionar un fabricante profesional y confiable es extremadamente crucial. JEP PCB ha estado profundamente involucrado en la industria durante muchos años y posee capacidades profesionales de procesamiento de sustratos cerámicos. Desde la creación de prototipos hasta la producción en masa, puede proporcionar una respuesta rápida y un soporte de proceso estable, lo que garantiza que su diseño de alto-rendimiento se pueda lograr con precisión.
Entonces, en el diseño de su producto, ¿priorizará el control de costos o elegirá un sustrato cerámico debido a su aumento de temperatura de 5 grados y su confiabilidad y estabilidad incomparables? No dudes en compartir tus puntos de vista en la sección de comentarios, darle me gusta y compartir este artículo para que más ingenieros puedan ver esta-divulgación científica en profundidad.