Substratos cerâmicos são usados onde o laminado é a parte limitante do projeto: um módulo de potência que precisa dissipar as próprias perdas, um driver de laser ou de RF que chaveia rápido o bastante para aquecer a placa, um sensor que precisa continuar isolando depois de cem ciclos térmicos. A cerâmica carrega o calor e a tensão que o FR-4 não suporta, e a Hitech Circuits produz esses substratos em Shenzhen ao lado das linhas rígida, flexível e metal-core.
Por que cerâmica em vez de FR-4
- Calor — a alumina trabalha em 20–51 W/m·K e o nitreto de alumínio em 120–220 W/m·K, contra cerca de 0,3 W/m·K do FR-4, então o substrato espalha calor além de conduzir o circuito.
- Tensão — a rigidez dielétrica é de 15, 20 ou 28 kV/mm em espessuras de 0,25, 0,63 e 1,0 mm, o que permite que uma peça fina suporte uma tensão de trabalho alta.
- Temperatura — as peças veem de −55 a 850 °C, muito além da transição vítrea de qualquer laminado.
- Expansão — 7,4 ppm/K entre 50 e 200 °C fica próximo da expansão do silício e da maioria dos materiais de encapsulamento, o que mantém baixa a tensão nas juntas de um die grande.
- Estabilidade — a cerâmica absorve quase nenhuma umidade, então suas propriedades dielétricas sobrevivem a condições úmidas de fábrica e à soldagem repetida.
Processos e materiais
Substratos com ligação direta de cobre são a escolha usual para potência: uma folha de cobre é ligada à cerâmica em alta temperatura e depois gravada, o que dá cobre espesso em uma interface ligada. Substratos de filme fino e filme espesso são usados onde condutores e resistores são impressos ou depositados e onde a definição da pista importa mais que o peso do cobre; seus condutores são AgPd ou AuPd, enquanto o DCB usa apenas cobre.
A alumina é o material padrão, com graus de 96 % e 98 % em estoque; o nitreto de alumínio é escolhido quando a condutividade térmica decide o projeto, e o óxido de berílio onde se precisa da maior condutividade. As espessuras regulares de estoque vão de 0,25 mm a 2,0 mm em formatos de até 130 × 140 mm, com peças mais espessas e maiores feitas sob medida e o maior painel de alumina produzido medindo 300 × 300 mm — as tabelas de tamanhos estão na página de capacidades.
A cerâmica é o substrato certo para este projeto?
A cerâmica justifica o preço apenas onde o próprio substrato precisa conduzir calor através de uma camada isolante fina:
- Quando uma placa de núcleo metálico basta — se as perdas chegam à carcaça por um plano de cobre e uma matriz de vias, uma placa de núcleo metálico de alumínio custa menos, é fornecida em painéis maiores e aceita contornos que uma cerâmica cozida não assume.
- Quando o dielétrico é o limite — um die nu isolado ou uma rede de resistores impressos descartam tanto o laminado quanto a pilha de núcleo metálico, porque ali o polímero é que isola, não o substrato.
- Quando a condutividade escolhe a classe — a alumina é o padrão: a mais barata de queimar e capaz de receber condutores de filme fino e espesso. O nitreto de alumínio é especificado quando o die não pode ser resfriado através da alumina, e o óxido de berílio fica reservado às peças em que nenhuma das outras duas resiste.
- Quando o processo escolhe o cobre — um padrão que conduz corrente precisa do cobre ligado do DCB; uma peça com resistores impressos ou definição de pista mais fina que uma folha gravada pertence ao filme fino ou espesso.
Onde as placas cerâmicas são usadas
Módulos de potência e pilhas IGBT, motores de LED de alto brilho e de laser, estágios de RF e micro-ondas, sensores para equipamentos médicos que precisam ser esterilizáveis, e eletrônica de potência automotiva que fica ao lado da fonte de calor. Onde o problema é frequência e não temperatura, uma placa de alta frequência em laminado Rogers, Arlon, Taconic ou Nelco costuma ser a resposta mais barata; a cerâmica passa a ser necessária quando os dois requisitos aparecem juntos.
Onde um substrato cerâmico falha em serviço
As peças que nos pedem para analisar falham na montagem e no contorno, não no circuito:
- Trincas em um ponto de fixação — a cerâmica não tem escoamento, então um chefe de parafuso ou uma presilha que flexiona inicia uma trinca na borda do furo; mantenha os furos de fixação fora da região solicitada, especifique uma arruela e nunca deixe o substrato enrijecer a carcaça.
- Delaminação na interface do DCB — cobre e cerâmica se expandem em ritmos diferentes, então uma única área grande de cobre descola pela borda após ciclos repetidos; divida o cobre em malha ou em segmentos em vez de mantê-lo inteiro por conveniência de roteamento.
- Fuga superficial ao longo de uma borda cortada — a marcação a laser e a separação mecânica deixam o condutor mais perto da borda do que a arte mostra; reserve uma faixa de exclusão no contorno e coloque o padrão dentro dela.
- Microtrincas vindas do contorno — um canto interno agudo concentra a tensão de cada ciclo térmico; arredonde os cantos no desenho e deixe a separação seguir o raio, não a fresa.
Como obter um orçamento
Envie o conjunto Gerber ou DXF com o material cerâmico, o processo, a espessura de cobre, o tamanho da peça e a quantidade. Como o condutor em uma peça de filme fino ou espesso é depositado e não gravado, a arte e as tolerâncias são revisadas no DFM antes de o orçamento ser fechado; os certificados emitidos estão na página de certificações.
O serviço de montagem de placas cerâmicas — SMT e orifício passante em substratos de alumina, AlN e BeO — é orçado junto com a fabricação na página de montagem de PCB, e as placas feitas na China estão cobertas na página de montagem de PCB na China.
