Los sustratos cerámicos se usan donde el laminado es la parte que limita el diseño: un módulo de potencia que tiene que evacuar sus propias pérdidas, un driver de láser o de RF que conmuta lo bastante rápido para calentar su placa, un sensor que debe seguir aislando después de cien ciclos térmicos. La cerámica conduce tanto el calor como la tensión que el FR-4 no soporta, y Hitech Circuits fabrica esos sustratos en Shenzhen junto a las líneas rígida, flexible y metal-core.
Por qué cerámica en vez de FR-4
- Calor — la alúmina va de 20–51 W/m·K y el nitruro de aluminio de 120–220 W/m·K, frente a unos 0,3 W/m·K del FR-4, así que el sustrato reparte el calor además de llevar el circuito.
- Tensión — la rigidez dieléctrica es de 15, 20 o 28 kV/mm a 0,25, 0,63 y 1,0 mm de espesor, lo que permite que una pieza delgada sostenga una tensión de trabajo alta.
- Temperatura — las piezas ven de −55 a 850 °C, mucho más allá de la transición vítrea de cualquier laminado.
- Dilatación — 7,4 ppm/K entre 50 y 200 °C está cerca de la dilatación del silicio y de la mayoría de los materiales de encapsulado, lo que mantiene baja la tensión en la junta sobre un die grande.
- Estabilidad — la cerámica casi no absorbe humedad, así que sus propiedades dieléctricas sobreviven a la humedad de planta y a las soldaduras repetidas.
Procesos y materiales
Los sustratos de cobre directamente unido son la opción habitual para potencia: una lámina de cobre se une a la cerámica en caliente y después se graba, lo que da cobre grueso sobre una interfaz unida. Los sustratos de capa fina y capa gruesa se usan cuando los conductores y resistencias se imprimen o se depositan y cuando la definición de línea importa más que el peso de cobre; sus conductores son AgPd o AuPd, mientras que el DCB usa solo cobre.
La alúmina es el material estándar, con grados del 96 % y 98 % en existencias; el nitruro de aluminio se elige cuando la conductividad térmica decide el diseño y el óxido de berilio cuando hace falta la máxima conductividad. Los espesores de stock habituales van de 0,25 mm a 2,0 mm en tamaños de hasta 130 × 140 mm, con piezas más gruesas y grandes fabricadas a medida y el mayor panel de alúmina producido en 300 × 300 mm: las tablas de tamaños están en la página de capacidades.
¿Es la cerámica el sustrato adecuado para este diseño?
La cerámica justifica su precio solo donde el propio sustrato debe conducir el calor a través de una capa delgada aislante:
- Cuando basta una placa de núcleo metálico — si las pérdidas llegan a la carcasa por un plano de cobre y una matriz de taladros, un PCB de núcleo metálico de aluminio es más barato, se ofrece en paneles mayores y admite contornos que una cerámica cocida no puede tomar.
- Cuando el dieléctrico es el límite — un die desnudo aislado o una red de resistencias impresas descartan tanto el laminado como el apilado de núcleo metálico, porque ahí el polímero es el que aísla, no el sustrato.
- Cuando la conductividad decide el grado — la alúmina es el estándar: la más barata de cocer y capaz de llevar conductores de capa fina y gruesa. El nitruro de aluminio se especifica cuando el die no puede refrigerarse a través de la alúmina, y el óxido de berilio se reserva para las piezas en las que ninguno de los otros dos resiste.
- Cuando el proceso decide el cobre — un circuito que conduce corriente necesita el cobre unido del DCB; una pieza con resistencias impresas o con una definición de línea más fina que una lámina grabada pertenece a capa fina o gruesa.
Dónde se usan las placas cerámicas
Módulos de potencia y pilas IGBT, motores LED de alta luminosidad y de láser, etapas de RF y microondas, sensores para equipos médicos que deben ser esterilizables y electrónica de potencia automotriz que vive junto a la fuente de calor. Cuando el problema es la frecuencia y no la temperatura, un PCB de alta frecuencia sobre laminado Rogers, Arlon, Taconic o Nelco suele ser la respuesta más barata; la cerámica se vuelve necesaria cuando ambos requisitos llegan juntos.
Dónde falla un sustrato cerámico en servicio
Las piezas que nos piden analizar fallan en el ensamblaje y en el contorno, no en el circuito:
- Grietas en un punto de fijación — la cerámica no tiene fluencia, así que un jefe de tornillo o una pinza que flexiona inicia una grieta en el borde del taladro; mantenga los taladros de fijación fuera de la zona cargada, especifique una arandela y no deje nunca que el sustrato rigidice la carcasa.
- Delaminación en la interfaz del DCB — el cobre y la cerámica se dilatan de forma distinta, así que una sola área grande de cobre se despega por el borde tras ciclos repetidos; divida el cobre en una malla o en segmentos en lugar de mantenerlo entero por comodidad de trazado.
- Seguimiento por un borde cortado — el rayado láser y la separación mecánica dejan el conductor más cerca del borde de lo que muestra el arte; reserve una banda de exclusión en el contorno y coloque el circuito dentro de ella.
- Microgrietas provenientes del contorno — una esquina interior aguda concentra la tensión de cada ciclo térmico; redondee las esquinas en el plano y deje que la separación siga el radio, no la fresa.
Cómo pedir una cotización
Envíe el conjunto Gerber o DXF con el material cerámico, el proceso, el espesor de cobre, el tamaño de pieza y la cantidad. Como el conductor de una pieza de capa fina o gruesa se deposita en lugar de grabarse, el arte y las tolerancias se revisan en DFM antes de cerrar la cotización; los certificados emitidos están en la página de certificados.
El servicio de ensamblaje de PCB cerámico —SMT e inserción pasante sobre sustratos de alúmina, AlN y BeO— se cotiza junto con la fabricación en la página de ensamblaje de PCB, y las placas fabricadas en China se cubren en la página de ensamblaje de PCB en China.
