No cenário em constante evolução da fabricação de eletrônicos, a inovação continua a expandir os limites do possível. Um avanço inovador que ganhou impulso significativo nos últimos anos é o surgimento das placas de circuito impresso (PCB) cerâmicas. Trata-se de um tipo relativamente novo de PCB que conquistou ampla aceitação na indústria eletrônica como uma alternativa eficaz. Com sua condutividade térmica, resistência mecânica e propriedades de isolamento elétrico incomparáveis, as PCBs cerâmicas estão redefinindo as possibilidades para sistemas eletrônicos confiáveis e de alto desempenho. Neste artigo abrangente, vamos nos aprofundar no mundo das PCBs cerâmicas, examinando suas características distintas, diferentes tipos, aplicações e muito mais.
O que é cerâmica PCB?
A PCB cerâmica, também conhecida como placa de circuito impresso de cerâmica, difere do uso convencional de fibra de vidro ou resina epóxi ao empregar um material cerâmico como base ou substrato. Essa PCB especializada apresenta uma fina camada isolante composta de material cerâmico, integrada a componentes metálicos para estabelecer o circuito. O material de base cerâmico empregado em PCBs cerâmicos, como alumina, nitreto de alumínio ou óxido de berílio, apresenta notável capacidade de condução de calor.
Com suas capacidades térmicas excepcionais e desempenho aprimorado, o PCB de cerâmica surge como uma alternativa atraente aos PCBs tradicionais, que podem ser encontrados em diferentes aplicações, como módulos de memória, conjuntos de painéis solares, LEDs, dispositivos de telecomunicações, placas de interconexão multicamadas, etc.
Os tipos de PCBs cerâmicos
De acordo com o eBook da Digibee Processo de fabricação de PCB, os PCBs cerâmicos são categorizados em diferentes tipos, incluindo:
PCB cerâmico de alta temperatura
PCBs cerâmicos de alta temperatura são um tipo de placa de circuito cerâmico amplamente procurado devido à sua capacidade de suportar e operar em ambientes de alta temperatura. Esses PCBs especializados são comumente conhecidos como PCBs de alta temperatura. cerâmica co-queimada Circuitos (HTCC). PCBs HTCC são compostos de cerâmica bruta misturada com solventes, adesivos, plastificantes, lubrificantes e óxido de alumínio.
A tecnologia HTCC permite que essas PCBs cerâmicas mantenham sua integridade estrutural e desempenho elétrico sob condições extremas de calor. Elas são amplamente utilizadas em aplicações onde altas temperaturas são predominantes, como nas indústrias aeroespacial, automotiva e de eletrônica de potência. O processo de fabricação HTCC garante a confiabilidade e a durabilidade necessárias para suportar ambientes térmicos severos, tornando as PCBs cerâmicas de alta temperatura a escolha ideal para aplicações exigentes.
PCB cerâmico de baixa temperatura
As placas de circuito impresso cerâmicas de coqueima de baixa temperatura (LTCC) oferecem vantagens únicas em comparação com outros tipos de placas de circuito impresso cerâmicas. Ao contrário das cerâmicas de coqueima de alta temperatura (HTCC), as placas de circuito impresso LTCC são fabricadas pela combinação de vidro cristal com um substrato adesivo em uma chapa metálica utilizando pasta de ouro. A placa de circuito resultante é então cortada, laminada e colocada em um forno gasoso a aproximadamente 900 graus Celsius.
Uma vantagem notável das PCBs LTCC é a redução de empenamento e a maior tolerância à contração em comparação com as placas de circuito impresso HTCC e outros tipos de placas de circuito cerâmico. Isso se traduz em maior resistência mecânica e condutividade térmica. Portanto, as PCBs LTCC são particularmente vantajosas para aplicações que envolvem produtos de dissipação de calor, pois oferecem benefícios térmicos superiores.
PCB de cerâmica de filme espesso
As placas de circuito impresso (PCIs) cerâmicas de película espessa são caracterizadas por sua camada condutora, que pode ter uma espessura superior a 10 mícrons, mas não superior a 13 mícrons. Normalmente, na placa de circuito impresso cerâmica, a superfície é adornada com uma camada condutora meticulosamente impressa com metais preciosos como prata ou ouro-paládio. Isso envolve a aplicação de pastas de ouro e dielétricas sobre um material de base cerâmica, seguido por um processo de cozimento a uma temperatura inferior a 1000 graus Celsius. A utilização de placas de circuito impresso cerâmicas de película espessa é amplamente difundida entre os fabricantes de PCB devido ao custo relativamente baixo da pasta condutora de ouro.
Uma das principais vantagens das placas de circuito impresso cerâmicas de filme espesso em relação às tradicionais reside na sua capacidade de proteger o cobre da oxidação. Essa característica permite que os fabricantes de placas de circuito impresso cerâmicas incorporem condutores, semicondutores, capacitores e resistores intercambiáveis na placa cerâmica.
Vantagens e desvantagens do PCB cerâmico
Vantagens do PCB de cerâmica
- Condutividade Térmica Superior
PCBs cerâmicos apresentam condutividade térmica excepcional, permitindo que dissipem com eficiência o calor produzido por componentes eletrônicos. Essa vantagem é crucial em aplicações onde o gerenciamento térmico é crítico, pois ajuda a prevenir o superaquecimento e garante desempenho e confiabilidade ideais.
- Baixo Coeficiente de Expansão Térmica (CTE)
Com suas ligações interatômicas sólidas e excepcionais, a cerâmica apresenta notável estabilidade térmica, permitindo-lhe suportar altas temperaturas, mantendo sua integridade estrutural. Mesmo diante de condições de temperatura flutuantes, a cerâmica permanece firme, estável e estável.
- Excelente Isolamento Térmico
PCBs cerâmicos proporcionam excelente isolamento térmico, impedindo eficazmente o fluxo de calor através do substrato. Essa propriedade de isolamento protege os componentes da placa de circuito, reduzindo o risco de danos ou lesões causadas por calor excessivo.
- Inorgânico
Uma das vantagens notáveis dos PCBs cerâmicos é sua composição de materiais inorgânicos, o que contribui para sua longevidade e maior usabilidade. Ao contrário dos materiais orgânicos, as cerâmicas apresentam maior resistência à deterioração e podem suportar o uso prolongado sem comprometer o desempenho.
- Alta frequência
Essas placas especializadas permitem o manuseio confiável e eficiente de sinais de alta frequência, garantindo desempenho superior e integridade do sinal em aplicações exigentes. São amplamente utilizadas nos setores médico e aeroespacial, que dependem fortemente da transmissão de dados de alta frequência e sinais elétricos.
- Estabilidade Mecânica
Os PCBs cerâmicos apresentam alta resistência mecânica e rigidez, proporcionando excelente estabilidade estrutural. Eles podem suportar tensões mecânicas, vibrações e condições ambientais adversas melhor do que outros. Materiais PCB, reduzindo o risco de danos ou falhas.
- Flexibilidade de design
PCBs cerâmicos permitem que os projetistas criem designs menores e mais compactos devido à sua estabilidade dimensional. Essa flexibilidade é particularmente valiosa em aplicações onde o espaço é limitado ou a miniaturização é necessária.
Desvantagens do PCB cerâmico
Placas de circuito impresso de cerâmica oferecem inúmeras vantagens em relação a outros tipos de PCBs, tornando-as uma escolha atraente para determinadas aplicações. No entanto, é essencial considerar e analisar cuidadosamente as potenciais desvantagens associadas ao seu uso:
- Complexidade na fabricação
PCBs cerâmicos exigem processos de fabricação especializados, como técnicas de deposição de filme espesso ou fino, o que pode aumentar a complexidade do processo de produção. Isso pode aumentar os prazos de entrega e os custos de fabricação, além de exigir técnicos qualificados ou instalações especializadas.
- Custo mais alto
PCBs cerâmicos são geralmente mais caros em comparação com materiais PCB tradicionais, como o FR4. O custo é atribuído principalmente aos materiais cerâmicos especializados e aos processos de fabricação envolvidos.
Comparação entre Cerâmica e FR4
Quando se trata de escolher o material de placa certo para aplicações eletrônicas, FR4 tem sido a escolha preferida de muitos fabricantes há muito tempo. No entanto, com o avanço da tecnologia e o aumento da demanda por maior desempenho, as placas cerâmicas surgiram como uma alternativa atraente. Nesta parte, comparamos esses dois tipos de materiais em termos de diferentes aspectos. Confira a tabela abaixo para mais detalhes:
| Parâmetro/ Material usado | cerâmico | FR4 |
| Condutividade térmica (W/mK) | Materiais comumente usados: 20 a 40 / Materiais especiais: 25 a 200 | (0.25 - 0.35) |
| Expansão térmica | Baixa | Médio |
| Desempenho de frequência | Alta | Baixo - Médio |
| Absorção de umidade | desprezível | Relativamente alto |
| Temperatura de Operação | Até 500°C (varia) | Até 130°C (varia) |
| Desempenho de RF | Excelente | Limitado |
| Força mecânica | Alta | Moderado |
| Processo de Fabricação | Mais complexo, especializado | Menos complexo |
| Custo | Maior que FR4 | Relativamente baixo |
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