El sustrato cerámico se está volviendo cada vez más popular en el diseño de PCB ya que la resistencia a temperaturas superiores a 800ºC que ofrece es superior a la que necesitan los semiconductores de carburo de silicio y nitruro de galio actualmente. El nuevo procedimiento de producción DPC (Direct Plated Copper) también permite la miniaturización y microelectrónica que no son posibles con otros métodos. La cerámica es resistente a los rayos UV y su naturaleza inerte lo convierte en el sustrato perfecto cuando es necesario un embalaje hermético que bloquee la desgasificación y la humedad.
La baja pérdida de señal convierte el sustrato cerámico en la opción ideal para aplicaciones de alta frecuencia, pero la gran conductividad térmica de hasta 180W/mK es la razón más habitual por la que los diseñadores escogen esta opción.
Ventajas frente a otras tecnologías
Otros sustratos de PCB como el FR4 o los Metal Clad PCB no pueden igualar las propiedades de disipación del calor que posee el sustrato cerámico. Al no contar con una capa de aislamiento, los componentes se montan directamente en las placas, lo que hace que el flujo de calor a través del circuito sea mucho más eficiente. Dependiendo del sustrato escogido los valores de conductividad térmica oscilarán entre 24 y 180W/mK. Esto se combina con excelentes valores de CTE (Coeficiente de Expansión Térmica).
Ventajas:
Sustratos cerámicos disponibles
Especificaciones de los materiales cerámicos
| Property | Unit | Al2O3 (96%) | Al2O3 (99.6%) | AlN | SiN |
|---|---|---|---|---|---|
| Thermal Conductivity | W/mK | 24 | 29 | 180 | 85 |
| Maximum Operating Temperature (MOT) | °C | >800 | >800 | >800 | >800 |
| Coefficient of Thermal Expansion (CTE) | x 10¯6/K | 6.7 | 6.8 | 4.6 | 2.6 |
| Dielectric Constant | - | 9.8 | 9.9 | 9 | 9 |
| Signal Loss | x 10¯3 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
| Light Reflectivity | % | 70/85 | 75 | 35 | - |
| Dielectric Strength | KV/mm | ≥15 | ≥15 | ≥15 | ≥15 |
| Rupture Strength | Mpa | 400 | 550 | 450 | 800 |
Óxido de aluminio (Al2O3) PCB (96% y 99.6%)
El cerámico más popular con una conductividad térmica en el tramo de los 24W/mK, una cifra más alta que los materiales Metal Clad PCB de mejor rendimiento.
Disponible en dos versiones distintas, el de 96% es el más rentable y popular. La variante 99.6% permite una conductividad térmica superior, en el tramo de los 29W/mK.
Ventajas
Especificaciones Técnicas
Descargue nuestras reglas de diseño completas a continuación. Si necesita requisitos distintos a los especificados o tiene alguna pregunta, contáctenos.
Nitruro de aluminio (AlN)
Si el punto clave del diseño es la alta conductividad térmica entonces el Nitruro de aluminio (AlN) será la opción ideal ya que permite una conductividad térmica superior a 180W/mK.
Con su alta temperatura y un CTE muy bajo, AlN es adecuado para una gran variedad de aplicaciones que incluyen semiconductores, LEDs de alta potencia, testers y sensores.
Ventajas
Especificaciones Técnicas
Descargue nuestras reglas de diseño completas a continuación. Si necesita requisitos distintos a los especificados o tiene alguna pregunta, contáctenos.
| Property | Unit | SiN |
|---|---|---|
| Thermal Conductivity | W/mK | 85 |
| Maximum Operating Temperature (MOT) | °C | 1000 |
| Coefficient of Thermal Expansion (CTE) | x 10¯6/K | 2.6 |
| Dielectric Constant | - | 9 |
| Signal Loss | x 10¯3 | 0.2 |
| Light Reflectivity | % | - |
| Breakdown Voltage | KV/mm | 15 |
| Rupture Strength | Mpa | 800 |
Active Metal Brazing (AMB) - Ceramic PCBs
Existe un nuevo método de fabricación cerámica sin metalización conocido como Active Metal Brazing (AMB).
Usando altas temperaturas y el sistema al vacío, el AMB “suelda” el cobre directamente al sustrato cerámico.
El AMB produce un sustrato mejorado con unas propiedades de disipación únicas.
Este método permite producir gruesos de cobre de hasta 800µm en sustratos cerámicos muy delgados convirtiéndolo en el método ideal para la electrónica de potencia.
AMB monocara
La siguiente tabla muestra los gruesos de cobre disponibles para los distintos espesores del sustrato. Para conseguir una estabilidad mecánica se recomienda que el grueso del cobre no sea superior a la mitad del grueso de la cerámica.
AMB doble cara
Con cobre en ambos lados se logra una mayor estabilidad y resistencia mecánica lo que nos permite ofrecer valores de heavy copper en sustratos cerámicos delgados. La siguiente tabla muestra la disponibilidad de materiales de doble cara, aunque se debe tener en cuenta que durante el proceso de grabado es posible que el grueso de cobre final se reduzca.
| Active Metal Brazing Double Sided Panels | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 200µm | 250µm | 300µm | 400µm | 500µm | 800µm | |
| 0.25mm | SiN AlN |
SiN AlN |
SiN | SiN | SiN | SiN |
| 0.32mm | SiN | SiN | SiN | SiN | SiN | SiN |
| 0.38mm | AlN | AlN | AlN | |||
| 0.63mm | AlN | AlN | AlN | AlN | AlN | |
| 1.00mm | AlN | AlN | AlN | AlN | AlN | AlN |
Ceramic - Thick Film
Ceramics - DBC (Direct Bonded Copper)
Desventajas:
Aplicaciones:
Se usa principalmente en módulos de alta potencia como IGBT, CPV o cualquier otro dispositivo de banda ancha.
Ceramics - DPC (Direct Plated Copper)
Aplicaciones
Ceramics - DPC vs DBC
Tanto DBC como DPC tienen las mismas ventajas para aplicaciones de alta potencia gracias a la unión directa entre el cobre y el sustrato cerámico, por lo tanto, ambos cuentan con los mismos atributos clave:
Las diferencias las encontramos en las consideraciones de diseño y aplicaciones. DBC es adecuado para alta capacidad de corriente, aunque es muy limitado en el diseño del circuito. DPC permite pistas más finas y conexiones through hole.
Ceramic - Capacidades
| Property | DPC | DBC |
|---|---|---|
| Compatible Substrates | Al2O3 / AlN / SiN | Al2O3 / AlN / SiN |
| Substrate Thickness (mm) | 0.25/0.38/0.5/0.635.1.0/1.5/2.0 | 0.25/0.38/0.5/0.635.1.0/1.5/2.0 |
| Copper Weight (oz) | 10 - 140 | 140 - 350 |
| Panel Sizes (mm x mm) | Standard: 115 x 115mm Special: Up to 170 x 250mm |
Standard: 115 x 115mm Special: Up to 170 x 250mm |
| Finish Options | ENIG/ENEPIG/EPIG/Immersion Silver/Immersion Tin/OSP | ENIG/ENEPIG/EPIG/Immersion Silver/Immersion Tin/OSP |
| Min Track Width (mm) | 0.1 | Dependant on Cu Weight |
| Minimum Hole Dia (mm) | 0.08 | 0.08 |
| Plated Via Aspect Ratio | 5:1 | N/A |
Algunos de los acabados más comunes en los sustratos estándar tales como el FR4 no son apropiados para el cerámico. Los acabados que ofrecemos son los que se muestran a continuación. Estaremos encantados de ayudarle a escoger el acabado más adecuado para su PCB.
Espesor habitual : 0.20-0.65µm
Caducidad : 6 meses
El cobre sin protección se oxidará rápidamente causando problemas de soldadura. El OSP es un acabado popular, económico y respetuoso con el medio ambiente que evita la oxidación y proporciona una superficie mejorada para la soldabilidad.
En lugar de usar un sustituto típico como sería el FR4, una placa de circuito impreso cerámico se construye con el cobre directamente adherido a un sustrato de cerámica. El AlN (nitruro de aluminio), SiN (nitruro de silicio) y Al2O3 son los sustratos cerámicos más comunes.
El principal beneficio de utilizar un circuito cerámico es el control térmico. Los cerámicos también son adecuados para aplicaciones de alta frecuencia dada la poca pérdida de señal que ofrecen. Muchos paquetes de alta potencia requieren sustratos que puedan soportar altas temperaturas de funcionamiento. Los sustratos cerámicos de TCL ofrecen altos valores de conductividad térmica de hasta 180W/mK y soportan temperaturas de hasta 800°C. También ofrecen ventajas para aplicaciones herméticas gracias a su 0% de absorción de agua y sus excelentes valores de CTE (Coeficiente de Expansión Térmica).
Dependiendo del sustrato cerámico escogido podremos optar por una conductividad térmica entre 24W/mK y 180W/mK.
Al2O3 (Óxido de aluminio) - la variante del 96% es el sustrato más común y rentable, con una conductividad térmica alrededor de 24W/mK.
Cuando la conductividad térmica es uno de los requisitos clave, el AlN (Nitruro de aluminio) es la opción más escogida. Su conductividad térmica de 180W/mK la convierte en la opción ideal para sistemas que necesitan de una alta conductividad térmica.
El SiN (Nitruro de silicio) es más resistente a los golpes que otros materiales gracias a su mayor resistencia a la fractura y a que tiene cierta flexibilidad. Como resultado, es una opción excelente para el sector de la automoción donde la seguridad estructural es un punto clave del diseño.
DPC. El avance más reciente en el campo de los PCB de sustrato cerámico es el Direct Plated Copper (DPC). Esta técnica puede producir espesores de cobre que van desde 10µm (1/3oz) hasta 140µm (4oz). Tras un procedimiento conocido como pulverización al vacío que une una capa delgada de cobre al sustrato, este se metaliza con el grueso de cobre deseado para después grabar la circuitería. Con esta tecnología se consigue mayor definición, circuitería más fina y la metalización del taladro.
DBC. El método tradicional en la producción de circuitos cerámicos es el Direct Bonded Copper (DBC). A menudo se utiliza cuando se requieren altos gruesos de cobre, a menudo entre 140µm y 350µm (10oz). Un sistema de oxidación a altas temperaturas permite la adhesión de cobre en una o dos caras. La circuitería del PCB se realiza utilizando las técnicas convencionales de fabricación de PCB. Sin embargo, dependiendo de el grueso de cobre requerido, este sistema de fabricación puede limitar el ancho de pistas debido a las tolerancias de grabado. El taladro metalizado no está disponible con esta tecnología.
Los paneles de producción estándar son de 115 x 115mm, pero se pueden utilizar unos paneles especiales de hasta 170 x 250mm.
El único acabado superficial que se excluye es el HASL, por lo que los acabados disponibles son: ENIG/ENEPIG/EPIG/Immersion Silver/Immersion Tin y OSP.
La conductividad térmica de hasta 180W/mK, la resistencia de estos sustratos a temperaturas mayores de 800°C, el bajo CTE (Coeficiente de Expansión Térmica), la poca pérdida de señal en aplicaciones de alta frecuencia y el 0% de absorción de humedad en embalajes herméticos.
El AMB es un método de producción único en el que se "suelda" el cobre directamente al sustrato cerámico usando altas temperaturas y un sistema al vacío. El AMB permite producir gruesos de cobre de hasta 800µm. Es ideal para la electrónica de potencia.
Usando el método tradicional DBC se puede conseguir un grueso de hasta 350µm. Con el método DPC hemos fabricado paneles de 1100µm.
Para máscaras de soldadura estándar, 130°C es el máximo para exposiciones a largo plazo. Para los montajes, como mínimo, todas las máscaras de soldadura pasan la prueba de estrés térmico IPC: 3 veces, 288°. 10 segundos.
Para aplicaciones de alta temperatura muchos clientes escogen no utilizar una máscara de soldadura. Si se trata de un requisito importante, tenemos disponible una máscara de soldadura de cristal que pude utilizarse con temperaturas hasta 500°C. Debe recordarse que a estas temperaturas tan altas los conductores de cobre se oxidarán rápidamente a menos que el producto se procese con un sistema de aplicación de máscaras de cristal al vacío que solo está disponible para pasta de plata u otros conductores de altas temperaturas.
Podemos suministrar paneles de circuitos cerámicos, pero la gran mayoría de nuestros clientes los adquieren con entrega unitaria. La razón de esto es que los cerámicos son más frágiles que otros sustratos como el FR4. De ser necesario podemos suministrar paneles precortados a láser para ser separados manualmente después del montaje. Si usted quiere evitar el v-cut, entonces será necesario utilizar una máquina de corte con diamante.
Los circuitos cerámicos pueden utilizarse en temperaturas realmente bajas. Hemos fabricado placas sin máscara de soldadura ni serigrafía para ser utilizadas en cámaras criogénicas a -223°C.
Sí, es posible. El método de producción DPC puede utilizarse para producir distintos gruesos de cobre en áreas localizadas. Esto puede ser útil si se necesita cobre fino para una sección de control y cobre grueso para una sección de potencia en la misma capa.
Utilizamos un láser para taladrar y enrutar los circuitos cerámicos que también puede utilizarse para la serigrafía. Esto es útil si se considera la desgasificación y no se pueden utilizar identificadores convencionales.
Sí. Debe seguir la regla de diseño en la que el espesor de la superfície de cobre debe ser igual o mayor que el radio de la vía que necesita ser rellenada. Un ejemplo sería: una vía de 0.2mm necesita 0.1mm (100µm) de cobre por lo tanto, el peso del cobre del conductor debe ser igual o superior a 100µm. En este ejemplo utilizaríamos 3oz (105µm) de cobre.
No, el método de producción es irrelevante. La rugosidad de la superfície de cobre la determina el proceso de pulido después del enchapado. Algunos productos cuentan con requisitos más estrictos en la rugosidad de la superfície (por ejemplo el LED, Ra<0.3µm y Rz<2µm), nuestra fábrica utilizará un equipo de pulido para tratar la superfície de cobre después del proceso de enchapado para lograr los requisitos de baja rugosidad. Por lo tanto, tanto el DPC como el DBC pueden lograr los mismos requisitos de rugosidad de superfície.
Montado con LEDs
Pasta conductora de plata con acabado ENIG
Panel Immersion Tin
Óxido de aluminio Al203
DBC (Direct Bonded Copper)
Óxido de aluminio Al203
Circuito bicapa en Saphire Alumina 0.4mm con plata conductora
Nitruro de Aluminio (alN) utilizado para productos LED
Alumina 0.5mm en acabado plata
TCL (Europe) Elektronika Kft.
120-122 Rona Street,
1149 Budapest,
Hungria
+36-14-683970
sales@tclelektronika.com
Carrer Montseny, 4 baixos
08560 Manlleu,
Barcelona
TCL Elektronika puede fabricar PCBs desde monocara a placas mucho más complejas de 40 capas. Al contar con nuestros propios ingenieros nos permite ser ágiles verificando, panelizando y optimizando los costes al máximo, no sólo para las fabricaciones en serie sino también para los prototipos y los pequeños volúmenes urgentes.