Una Introduzione Dettagliata al PCB in Ceramica

Parole chiave: Substrato ceramico PCB ceramico

Un PCB ceramico è un tipo unico di scheda di processo in cui, a temperature elevate, la lamina di rame viene direttamente legata alla superficie del substrato ceramico monofacciale o bifacciale realizzato in allumina (Al2O3), nitruro di alluminio (AlN), ossido di berillio (BeO) o carburo di silicio (SiC). Oltre ad avere prestazioni elettriche e ad alta frequenza superiori rispetto ai PCB con nucleo metallico di un fattore da 10 a 100, i PCB ceramici hanno anche migliori caratteristiche di trasferimento del calore. Il loro coefficiente di espansione è altrettanto piccolo (CTE). Si dice che le migliori qualità sia dei PCB FR4 che di quelli con nucleo metallico si trovino nei PCB ceramici.

Un circuito stampato che utilizza ceramiche come substrato, come nitruro di silicio, ossido di alluminio e nitruro di alluminio, è noto come PCB ceramico. La magnetron sputtering viene utilizzata per far aderire gli strati conduttivi del PCB ceramico al substrato ceramico. Per il faro, un PCB ceramico è costruito con LED come mostrato di seguito.

Descrizione del PCB ceramico

I PCB ceramici sono prodotti a temperature sostanzialmente più elevate rispetto ai PCB normali poiché sono realizzati principalmente in ceramica. Le ceramiche utilizzate per i PCB hanno i vantaggi sia del metallo che dell'FR4 come materiali di base del PCB. Alluminio e rame hanno un'elevata conduttività termica ma sono conduttori, a differenza dei materiali FR4, che sono isolanti elettrici ma hanno una bassa conduttività termica. Poiché le ceramiche sono isolanti efficaci, i PCB ceramici non necessitano di uno strato di isolamento elettrico e hanno un'elevata conduttività termica.

I PCB ceramici vengono trasformati in PCBA ceramici quando vengono montati con chip LED, IC e altri componenti. I LED possono essere assemblati su PCB ceramici utilizzando le tecniche flip-chip o wire bonding. Nelle applicazioni ad alta potenza e alta frequenza, inclusi controller di potenza su scala automobilistica, sistemi ottici variabili, convertitori di scambio, batterie solari e luci LED ad alta corrente, i PCBA ceramici sono spesso i componenti chiave.

Qual è la struttura di un PCB ceramico?

Uno strato di substrato ceramico, uno strato di rame e uno strato di mascheratura di saldatura compongono un PCB ceramico monostrato. Per aiutarti a comprendere cos'è un PCB ceramico, discuteremo la struttura dei PCB ceramici a doppio strato.

La costruzione di un PCB ceramico monofacciale a doppio strato realizzato con la tecnica di laminazione standard è mostrata di seguito.

Substrato ceramico: A differenza dell'alluminio o dell'FR4, la ceramica fornisce un isolamento elettrico superiore oltre che conduttività termica. Il substrato ceramico, quindi, svolge due funzioni: dissipazione del calore e isolamento tra gli strati del circuito. I fori del PCB sono necessari per i PCB ceramici a doppio strato e multistrato, e i fori passanti vengono perforati con laser nel substrato ceramico. Successivamente, viene utilizzata la placcatura in rame per riempire i fori passanti del PCB.

Rivestimento in rame: Una sottile lamina di rame funge da strato di rame. Con l'aiuto della magnetron sputtering, aderisce al substrato ceramico. Il circuito viene inciso sulla lamina di rame utilizzando lo strato di fotoresist della tecnica della luce gialla dopo che la lamina di rame ha aderito al substrato ceramico.

Lo strato dielettrico (PP): Il PP può essere composto da resina fenolica, resina epossidica, elementi termoconduttivi speciali, ecc. Le due schede di substrato ceramico vicine vengono unite tramite lo strato dielettrico. La conduttività termica totale del PCB ceramico è ridotta dal PP, che ha una conduttività termica inferiore rispetto alla ceramica. Quindi, per le situazioni in cui ci sono criteri meno rigorosi per la dissipazione del calore, viene impiegato un PCB ceramico con uno strato dielettrico.

Maschera di saldatura: I fili di rame esposti sono protetti dalla saldatura, dai metalli e dal deterioramento ambientale grazie alle maschere di saldatura. Dopo la laminazione del PCB, una maschera di saldatura viene applicata sopra lo strato del circuito. La maschera di saldatura può essere di qualsiasi colore, tra cui verde, bianco, beige, ecc. Per le sue prestazioni superiori e i materiali ceramici del PCB, un PCB ceramico è speciale.

Rispetto ai PCB convenzionali, i PCB ceramici sono meccanicamente più resistenti, presentano meno deformazioni, sono più resistenti agli shock termici, hanno un DK/Df inferiore, sono più termicamente conduttivi, hanno un coefficiente di dilatazione termica più vicino a quello del silicio, sono più stabili chimicamente e non assorbono acqua.

Un PCB ceramico può essere tridimensionale e fungere da componente di supporto per moduli oltre al trasporto di componenti.

Tipi di PCB ceramico

I PCB ceramici sono classificati in base alla classificazione dei substrati ceramici come segue:

Il tipo più popolare di PCB ceramico è realizzato in allumina (Al2O3). Inoltre, il substrato per PCB ceramico meno costoso è l'ossido di alluminio.

PCB in nitruro di alluminio (AlN): Più costosi dei PCB in allumina, i PCB in nitruro di alluminio sono anch'essi spesso utilizzati nei PCB ceramici. AlN supera l'allumina in termini di prestazioni ad alta frequenza e conducibilità termica.

PCB realizzati in nitruro di silicio (Si3N4): Si3N4 è più costoso di AlN. Moduli IGBT, moduli per automotive e moduli militari/aerospaziali/aviazione sono solo alcuni esempi di moduli elettronici di potenza che utilizzano PCB in nitruro di silicio grazie alla loro grande resistenza meccanica e durata.

PCB realizzati in carburo di silicio (SiC): il diamante è carburo di silicio. Presenta un'elevata conducibilità termica. SiC ha anche un'elevata conducibilità come semiconduttore elettrico. I campi laser sono dove i PCB in carburo di silicio sono principalmente impiegati.

Realizzati in ossido di boro (BeO): BeO è tossico ma ha una conducibilità termica decine di volte superiore all'allumina. I PCB in BeO sono impiegati in applicazioni ad alta frequenza e alta potenza grazie al loro basso DK e Df.

I PCB ceramici possono essere categorizzati in uno dei seguenti modi in base ai loro processi di produzione:

PCB ceramici HTCC: HTCC, acronimo di ceramica co-cotta ad alta temperatura, è il processo più antico per produrre PCB ceramici. Le applicazioni ad alta potenza possono utilizzare PCB ceramici HTCC, ma non quelli ad alta frequenza o alta velocità.

PCB ceramici con rame a legame diretto (abbreviato DBC): DBC richiede temperature inferiori rispetto a HTCC. I fori passanti placcati (PTH) sono assenti nei PCB ceramici DBC. Sono principalmente impiegati come imballaggio per dispositivi LED, moduli elettronici di potenza, ecc.

PCB realizzati in ceramica a film spesso: i PCB ceramici a film spesso richiedono una spaziatura minima delle linee del circuito di 60 mm. Tuttavia, il circuito del PCB ceramico a film spesso è estremamente preciso. Sono principalmente utilizzati in applicazioni con esigenze di potenza modeste.

PCB ceramici LTCC, ovvero ceramica co-cotta a bassa temperatura. I PCB ceramici LTCC tridimensionali e multistrato sono tipici. Particolarmente adatti per dispositivi di comunicazione ad alta frequenza sono i PCB ceramici LTCC.

I PCB realizzati su ceramica a film sottile sono altamente precisi nella loro circuitazione. Lo spessore del rame dello strato del circuito, tuttavia, ha un limite. I PCB ceramici a film sottile sono adatti per elettronica di piccole dimensioni e imballaggi di alta precisione.

I PCB ceramici DPC sono uno sviluppo della tecnologia a film sottile; DPC sta per rame a deposizione diretta. I PCB ceramici DPC possono avere circuiti altamente precisi e possono essere tridimensionali. Applicazioni ad alta potenza e alta frequenza li impiegano.

L'architettura tridimensionale del PCB ceramico consente loro di sostenere meccanicamente i moduli oltre a caricare e collegare parti per dispositivi ad alta potenza e imballaggio.