Che cos'è un PCB ceramico e quali sono i tipi di PCB ceramici?

Che cos'è un PCB in ceramica?

I PCB ceramici (circuiti stampati) sono circuiti stampati cheutilizzano materiali ceramici come substrati. Sono realizzati utilizzando polveri ceramiche (come ossido di alluminio, nitruro di alluminio o ossido di berillio) combinate con leganti organici.La loro conducibilità termica varia tipicamente tra 9 e 20 W/m·K, il che li rende eccellenti per la gestione del calore. Hanno anche un basso coefficiente di espansione termica (CTE) e caratteristiche elettriche stabili. Sono realizzati utilizzando tecniche come la metallizzazione attivata dal laser (LAM), che li rende perfetti per i dispositivi elettronici che operano in ambienti ad alta potenza, alta frequenza e alta temperatura.

Tipi di PCB ceramici

In base ai sistemi di materiali e ai processi di produzione, i PCB ceramici sono principalmente classificati nei seguenti tipi:

1. HTCC (ceramica cotta ad alta temperatura)

• I materiali: Ceramiche a base di allumina con paste metalliche di tungsteno/molibdeno.
• Processo: Cottura congiunta in atmosfera di idrogeno a 1600-1700 °C per un massimo di 48 ore.
• caratteristicheElevata resistenza strutturale e precisione, adatta per applicazioni aerospaziali e militari ad alta affidabilità.

2.LTCC (ceramica co-combusta a bassa temperatura)

• I materialiVetro cristallino + materiali compositi ceramici con paste a base d'oro.
• Processo: Sinterizzazione a circa 900 °C,seguita da laminazione e formatura.
• caratteristicheBassa tolleranza al ritiro ed elevata resistenza meccanica, ampiamente utilizzata nei moduli RF e nei sensori.

3.PCB ceramico a film spesso

• Processo: Serigrafia di paste di argento/oro-palladio su substrati ceramici, seguita da sinterizzazione ad alta temperatura (≤1000 °C).
• caratteristiche: Spessore dello stratoconduttivo di 10-13μm,supporta l'integrazione di componenti passivi quali resistori e condensatori, adatto per progetti di circuiti complessi.

4.PCB ceramico a film sottile

• ProcessoFormazione di circuiti metallici a livello di micron mediante deposizione sotto vuoto o sputtering.
• caratteristicheAlta precisione circuitale, ideale per circuiti a microonde ad alta frequenza.

5.DBC/DPC (substrato ceramico in rame a legame diretto/rame placcato diretto)

• ProcessoIncollaggio diretto di lamine di rame su superfici ceramiche ad alte temperature (DBC) o formazione di circuiti tramite elettrodeposizione (DPC).
• caratteristicheEccellente conduttività termica e capacità di trasporto di corrente, che li rende la scelta preferita per i semiconduttori di potenza (ad esempio, IGBT) e l'illuminazione a LED.

Vantaggi dei PCB in ceramica

1. Alta conducibilità termica:
   La conducibilità termica è molto più elevata rispettoai tradizionali substrati FR-4 (ad esempio, il nitruro di alluminio può raggiungere 170-230 W/m·K), risolvendo efficacemente il problema della dissipazione del calore nei dispositivi ad alta potenza.
2. Eccellenti prestazioni ad alta frequenza:
   Bassa perdita dielettrica e costante dielettrica stabile, adatta alle comunicazioni 5G, RF e a microonde.
3. Stabilità alle alte temperature:
   Possonofunzionare in ambienticon temperature superiori a 350 °C, rendendoli ideali per l'elettronica automobilistica, l'aerospaziale e altre applicazioni ad alta temperatura.
4. Durata meccanica e chimica:
   Elevata resistenza meccanica, resistenza alle vibrazioni, alla corrosione e all'erosione chimica.
5. Stabilità dimensionale e basso CTE:
   Il coefficiente di espansione termica si avvicina a quello dei chip di silicio, riducendo i guasti alle connessioni causati dallo stress termico.
6. Capacità di integrazione ad alta densità:
   Supporta linee di larghezza ridotta, microvie e impilamento multistrato, adatto a progetti miniaturizzati.

Processo di produzione dei PCB ceramici

1. Design e layout:
   Progettazione di circuiti utilizzando software CAD, ottimizzando la gestione termica e l'integrità del segnale.
2. Preparazione del substrato:
   I substrati ceramici(Al₂O₃, AlN,SiC,ecc.) vengono tagliatie lucidati fino a raggiungere le dimensioni desiderate.
3. Deposizione di strato conduttivo:
   La pasta conduttiva argento/oro-palladio viene applicata tramite serigrafia o tecnologia a getto d'inchiostro.
4. Via Foratura e Riempimento:
   Foratura laser o meccanica, con materiali conduttivi che riempiono le fessure per le connessioni tra gli strati.
5. Co-cottura e sinterizzazione:

• HTCC: Sinterizzato in un ambientedi idrogeno a1600-1700 °C.
• LTCC: Sinterizzazione abassa temperatura acirca 900°C.
  I circuiti multistrato devono essere impilati prima della co-cottura.

1. Assemblaggio e collaudo dei componenti:
   I componenti SMD vengono saldati, seguiti da test elettrici, ambientali e di affidabilità.
2. Rivestimento protettivo e imballaggio:
   Vengono applicati strati protettivi per migliorare la resistenza all'ambiente, seguiti da test funzionali finali e dall'imballaggio.

Quando scegliere i PCB in ceramica?

I PCB in ceramica sono adatti ai seguenti scenari:

• Dispositivi ad alta potenza: Come i moduli IGBT, i sistemi di gestione dell'alimentazione e le luci a LED per autoveicoli.
• Applicazioni ad alta frequenzaStazioni base 5G, sistemi radar, comunicazioni satellitari.
• Ambienti ad alta temperaturaControlli dei motori aerospaziali, elettronica automobilistica.
• Requisiti di alta affidabilitàDispositivi medici (ad esempio, strumenti chirurgici laser), attrezzature militari.
• Ambienti chimicamente corrosivi: Esplorazione petrolifera, automazione industriale.

Considerazioni:

• I PCB ceramici sono relativamente costosi e sono quindi adatti a esigenze di alte prestazioni piuttosto che a prodotti di largo consumo.
• I progetti devono tenere conto della fragilità del materiale per evitare la concentrazione delle sollecitazioni meccaniche.
• L'elevata complessità del processo richiede la collaborazione con fornitori con competenze tecniche mature.

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