¿Qué es una placa de circuito impreso cerámica y cuáles son sus tipos?

¿Qué es un Placa de circuito impreso de cerámica?

Las placas de circuito impreso (PCB) cerámicas son placas de circuito que utilizan materiales cerámicos como sustratos. Se fabrican utilizando polvos cerámicos (como óxido de aluminio, nitruro de aluminio u óxido de berilio) combinados con aglutinantes orgánicos.Su conductividad térmica suele oscilar entre 9 y 20 W/m·K, lo que las hace excelentes para gestionar el calor. También tienen un bajo coeficiente de expansión térmica (CTE) y características eléctricas estables. Se fabrican utilizando técnicas como la metalización activada por láser (LAM), lo que las hace perfectas para dispositivos electrónicos que funcionan en entornos de alta potencia, alta frecuencia y alta temperatura.

Tipos de PCB cerámicos

En función de los sistemas de materiales y los procesos de fabricación, los PCB cerámicos se clasifican principalmente en los siguientes tipos:

1. HTCC (cerámica de cocción a alta temperatura)

• Materiales: Cerámicas a base de alúmina con pastas metálicas de wolframio/molibdeno.
• Proceso: Cocción conjunta en atmósfera de hidrógeno a 1600-1700 °C durante un máximo de 48 horas.
• FuncionesAlta resistencia estructural y precisión, adecuado para aplicaciones aeroespaciales y militares de alta fiabilidad.

2.LTCC (cerámica de cocción a baja temperatura)

• MaterialesVidrio cristalino + materiales compuestos de cerámica con pastas a base de oro.
• Proceso: Sinterización a aproximadamente 900 °C, seguida de laminación y conformado.
• FuncionesBaja tolerancia a la contracción y alta resistencia mecánica, muy utilizado en módulos de RF y sensores.

3.Placa de circuito impreso cerámica de capa gruesa

• Proceso: Serigrafía de pastas de plata/oro-paladio sobre sustratos cerámicos, seguida de sinterización a alta temperatura (≤1000 °C).
• Funciones: Espesor de la capa conductora de 10-13 μm, admite la integración de componentes pasivos como resistencias y condensadores, adecuado para diseños de circuitos complejos.

4.PCB cerámico de capa fina

• ProcesoFormación de circuitos metálicos de nivel micrométrico mediante deposición en vacío o pulverización catódica.
• FuncionesAlta precisión de circuito, ideal para circuitos de microondas de alta frecuencia.

5.DBC/DPC (Direct Bonded Copper/Direct Plated Copper Ceramic Substrate)

• ProcesoUnión directa de láminas de cobre sobre superficies cerámicas a altas temperaturas (DBC) o formación de circuitos mediante galvanoplastia (DPC).
• FuncionesExcelente conductividad térmica y capacidad de transporte de corriente, lo que los convierte en la opción preferida para semiconductores de potencia (por ejemplo, IGBT) e iluminación LED.

Ventajas de las placas de circuito impreso cerámicas

1. Alta conductividad térmica:
   La conductividad térmica es mucho mayor que la de los sustratos FR-4 tradicionales (por ejemplo, el nitruro de aluminio puede alcanzar 170-230 W/m·K), lo que permite disipar eficazmente el calor en dispositivos de alta potencia.
2. Excelente rendimiento en altas frecuencias:
   Baja pérdida dieléctrica y constante dieléctrica estable, adecuada para comunicaciones 5G, RF y microondas.
3. Estabilidad a altas temperaturas:
   Pueden funcionar en entornos con temperaturas superiores a 350 °C, lo que los hace ideales para aplicaciones de electrónica automotriz, aeroespacial y otras aplicaciones de alta temperatura.
4. Durabilidad mecánica y química:
   Alta resistencia mecánica, a las vibraciones, a la corrosión y a la erosión química.
5. Estabilidad dimensional y bajo CET:
   El coeficiente de dilatación térmica es cercano al de los chips de silicio, lo que reduce los fallos de conexión causados por el estrés térmico.
6. Capacidad de integración de alta densidad:
   Admite anchos de línea finos, microvías y apilado multicapa, adecuado para diseños miniaturizados.

Proceso de fabricación de placas de circuito impreso cerámicas

1. Diseño y maquetación:
   Diseño de circuitos mediante software CAD, optimizando la gestión térmica y la integridad de la señal.
2. Preparación del sustrato:
   Los sustratos cerámicos (Al₂O₃, AlN, SiC, etc.) se cortan y pulen hasta alcanzar las dimensiones deseadas.
3. Deposición de capas conductoras:
   La pasta conductora de plata/oro-paladio se aplica mediante serigrafía o tecnología de inyección de tinta.
4. Mediante perforación y relleno:
   Perforación láser o mecánica, con materiales conductores que rellenan las vías para las conexiones entre capas.
5. Cocción conjunta y sinterización:

• HTCC: Sinterizado en un entorno de hidrógeno a 1600-1700 °C.
• LTCC: Sinterización a baja temperatura, alrededor de 900 °C.
  Los circuitos multicapa requieren apilamiento antes de la cocción conjunta.

1. Ensamblaje y pruebas de componentes:
   Se sueldan los componentes SMD y, a continuación, se realizan pruebas eléctricas, medioambientales y de fiabilidad.
2. Revestimiento y embalaje de protección:
   Se aplican capas protectoras para mejorar la resistencia al medio ambiente, tras lo cual se realizan las pruebas funcionales finales y se procede al envasado.

¿Cuándo elegir placas de circuito impreso cerámicas?

Las placas de circuito impreso cerámicas son adecuadas para los siguientes casos:

• Dispositivos de alta potencia: Por ejemplo, módulos IGBT, sistemas de gestión de energía y luces LED para automóviles.
• Aplicaciones de alta frecuenciaEstaciones base 5G, sistemas de radar, comunicaciones por satélite.
• Entornos de alta temperaturaControles de motores aeroespaciales, electrónica del automóvil.
• Requisitos de alta fiabilidadDispositivos médicos (por ejemplo, instrumentos quirúrgicos láser), equipos militares.
• Entornos químicamente corrosivos: Prospección petrolífera, automatización industrial.

Consideraciones:

• Las placas de circuito impreso cerámicas son relativamente caras, por lo que resultan más adecuadas para necesidades de alto rendimiento que para productos de consumo.
• Los diseños deben tener en cuenta la fragilidad del material para evitar la concentración de tensiones mecánicas.
• La elevada complejidad de los procesos requiere la colaboración de proveedores con conocimientos técnicos maduros.

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