O que é uma placa de circuito impresso de cerâmica e quais são os tipos de placas de circuito impresso de cerâmica?

O que é um Placa de circuito impresso de cerâmica?

As PCB cerâmicas (placas de circuito impresso) são placas de circuito que utilizam materiais cerâmicos como substratos. São fabricadas utilizando pós cerâmicos (como óxido de alumínio, nitreto de alumínio ou óxido de berílio) combinados com ligantes orgânicos. A sua condutividade térmica varia normalmente entre 9-20 W/m-K, o que os torna excelentes para gerir o calor. Têm também um baixo coeficiente de expansão térmica (CTE) e caraterísticas eléctricas estáveis. São fabricados utilizando técnicas como a metalização activada por laser (LAM), o que os torna perfeitos para dispositivos electrónicos que funcionam em ambientes de alta potência, alta frequência e alta temperatura.

Tipos de PCBs cerâmicos

Com base nos sistemas de materiais e nos processos de fabrico, as placas de circuito impresso de cerâmica são principalmente classificadas nos seguintes tipos

1. HTCC (cerâmica co-queimada a alta temperatura)

• Materiais: Cerâmicas à base de alumina com pastas metálicas de tungsténio/molibdénio.
• Processo: Co-combustão numa atmosfera de hidrogénio a 1600-1700°C durante 48 horas, no máximo.
• CaraterísticasElevada resistência estrutural e precisão, adequada para aplicações aeroespaciais e militares de elevada fiabilidade.

2.LTCC (cerâmica co-cozida a baixa temperatura)

• MateriaisVidro cristalino + materiais compósitos cerâmicos com pastas à base de ouro.
• Processo: Sinterização a cerca de 900°C, seguida de laminação e enformação.
• CaraterísticasBaixa tolerância à contração e elevada resistência mecânica, amplamente utilizada em módulos e sensores RF.

3.Placa de circuito impresso de cerâmica de película espessa

• Processo: Impressão serigráfica de pastas de prata/ouro-paládio em substratos cerâmicos, seguida de sinterização a alta temperatura (≤1000°C).
• Caraterísticas: Espessura da camada condutora de 10-13 μm, suporta a integração de componentes passivos, como resistências e condensadores, adequados para projectos de circuitos complexos.

4.Placa de circuito impresso de cerâmica de película fina

• ProcessoFormação de circuitos metálicos de nível micrónico por deposição sob vácuo ou pulverização catódica.
• CaraterísticasAlta precisão de circuito, ideal para circuitos de micro-ondas de alta frequência.

5.DBC/DPC (substrato cerâmico de cobre ligado diretamente/cobre banhado diretamente)

• ProcessoColagem direta de folhas de cobre em superfícies cerâmicas a altas temperaturas (DBC) ou formação de circuitos por galvanoplastia (DPC).
• CaraterísticasExcelente condutividade térmica e capacidade de transporte de corrente, tornando-os a escolha preferida para semicondutores de potência (por exemplo, IGBTs) e iluminação LED.

Vantagens das placas de circuito impresso de cerâmica

1. Alta condutividade térmica:
   A condutividade térmica é muito mais elevada do que a dos substratos FR-4 tradicionais (por exemplo, o nitreto de alumínio pode atingir 170-230W/m-K), o que permite uma dissipação eficaz do calor em dispositivos de alta potência.
2. Excelente desempenho de alta frequência:
   Baixa perda dieléctrica e constante dieléctrica estável, adequada para comunicações 5G, RF e micro-ondas.
3. Estabilidade a altas temperaturas:
   Podem funcionar em ambientes superiores a 350°C, o que os torna ideais para a eletrónica automóvel, aeroespacial e outras aplicações de alta temperatura.
4. Durabilidade mecânica e química:
   Elevada resistência mecânica, resistência à vibração, à corrosão e à erosão química.
5. Estabilidade dimensional e baixo CTE:
   O coeficiente de expansão térmica é próximo do dos chips de silício, reduzindo as falhas de ligação causadas pelo stress térmico.
6. Capacidade de integração de alta densidade:
   Suporta larguras de linha finas, microvias e empilhamento de várias camadas, adequado para desenhos miniaturizados.

Processo de fabrico de placas de circuito impresso de cerâmica

1. Conceção e apresentação:
   Conceção de circuitos utilizando software CAD, optimizando a gestão térmica e a integridade do sinal.
2. Preparação do substrato:
   Os substratos cerâmicos (Al₂O₃, AlN, SiC, etc.) são cortados e polidos de acordo com as dimensões pretendidas.
3. Deposição de camadas condutoras:
   A pasta condutora de prata/ouro-paládio é aplicada através de serigrafia ou tecnologia de jato de tinta.
4. Via Perfuração e Enchimento:
   Perfuração a laser ou mecânica, com materiais condutores a preencher as vias para ligações entre camadas.
5. Co-queima e Sinterização:

• HTCC: Sinterizado num ambiente de hidrogénio a 1600-1700°C.
• LTCC: Sinterização a baixa temperatura a cerca de 900°C.
  Os circuitos multicamadas requerem empilhamento antes da coincineração.

1. Montagem e teste de componentes:
   Os componentes SMD são soldados, seguidos de testes eléctricos, ambientais e de fiabilidade.
2. Revestimento e embalagem de proteção:
   São aplicadas camadas protectoras para aumentar a resistência ambiental, seguidas de testes funcionais finais e embalagem.

Quando escolher PCBs de cerâmica?

As placas de circuito impresso de cerâmica são adequadas para os seguintes cenários:

• Dispositivos de alta potência: Tais como módulos IGBT, sistemas de gestão de energia e luzes LED para automóveis.
• Aplicações de alta frequênciaEstações de base 5G, sistemas de radar, comunicações por satélite.
• Ambientes de alta temperaturaControlos de motores aeroespaciais, eletrónica automóvel.
• Requisitos de elevada fiabilidadeDispositivos médicos (por exemplo, instrumentos cirúrgicos a laser), equipamento militar.
• Ambientes quimicamente corrosivos: Exploração petrolífera, automatização industrial.

Considerações:

• As placas de circuito impresso de cerâmica são relativamente caras, o que as torna adequadas para necessidades de alto desempenho e não para produtos de consumo.
• Os projectos devem ter em conta a fragilidade do material para evitar a concentração de tensões mecânicas.
• A elevada complexidade dos processos exige a colaboração de fornecedores com conhecimentos técnicos maduros.

Campos de aplicação