O guia definitivo para substratos cerâmicos 2024

Os substratos cerâmicos desempenham um papel crítico na eletrônica moderna, permitindo a miniaturização, gerenciamento térmico aprimorado, e frequências operacionais mais altas de inúmeros dispositivos que usamos todos os dias. À medida que os sistemas eletrônicos se tornam mais complexos e poderosos, há uma demanda crescente por materiais avançados de substrato cerâmico e técnicas de fabricação que possam atender às necessidades de tecnologias emergentes. Neste guia completo, we will examine ceramic substrates in-depth – from their properties to materials, formulários, e critérios de seleção.

O que são substratos cerâmicos?

Substratos cerâmicos são um tipo de material não condutor, material inorgânico feito de compostos cerâmicos como alumina, nitreto de alumínio, berílio, e zircônia. Eles são usados ​​como camadas de base em um Placa PCB para montagem de componentes eletrônicos e criação de interconexões elétricas.

Principais características dos substratos cerâmicos:

• Eles fornecem um estável, plataforma rígida para construção de circuitos e montagemcomponentes em PCBs devido à sua alta resistência mecânica.
• Eles têm alta resistência ao calor e condutividade térmica, tornando-os adequados para dissipação de calor em eletrônicos de alta potência.
• Eles possuem excelentes propriedades de isolamento elétrico até altas frequências CA. Isso permite circuitos de alta densidade e miniaturização.
• Em uma configuração multicamadas, substratos de PCB de cerâmica permitem o empilhamento vertical de múltiplas camadas finas, resultando em módulos 3D ultracompactos com interconexões e passivos integrados complexos.

Diferentes materiais de substratos cerâmicos

Os substratos cerâmicos vêm em vários tipos dependendo das matérias-primas utilizadas:

• Alumina (Al2O3)

Um dos materiais mais comuns é o óxido de alumínio ou alumina. Aproveitando sua resistência robusta e propriedades de isolamento elétrico adequadas, a alumina prova ser um componente valioso em inúmeras aplicações eletrônicas, incluindo placas de circuito. Também se adapta a aplicações de alta temperatura graças à sua estabilidade química e ampla disponibilidade.

• Nitreto de Alumínio (AlN)

A cerâmica AlN tem a maior condutividade térmica, tornando-o adequado para dissipação de calor em eletrônicos de alta potência. Também oferece alta resistividade elétrica. Substratos de AlN são mais caros que alumina.

• Berílio (SejaO)

Berílio (SejaO) a cerâmica demonstra condutividade térmica impressionante, mantendo propriedades de isolamento elétrico. Seu alto custo limita as aplicações a ambientes especializados que exigem desempenho extremo. A toxicidade também é uma preocupação com a berília.

• Carboneto de Silício

O carboneto de silício é outra cerâmica valorizada pela sua excepcional capacidade de conduzir calor de forma eficiente e pela sua resistência a altas temperaturas e à corrosão.. Com uma faixa de condutividade térmica de 100-400 W/(m · K) em altas temperaturas, SiC funciona bem em equipamentos de alta temperatura, como peças de fornos. Também é útil para fabricar dispositivos semicondutores.

• Nitreto de Silício

O nitreto de silício ou Si3N4 também é valorizado pelo desempenho térmico. Com condutividade de até 400W/(m · K), esta cerâmica é popular em aplicações de alta temperatura, incluindo componentes de motores de turbinas a gás. Ele também é usado em rolamentos e ferramentas de corte.

Material	Condutividade térmica	Coeficiente de expansão térmica / x 10-6/℃	Resistência ao choque térmico	Custo	Toxicidade
Alumina (Al2O3)	20	7.2	Moderado	Baixo	Nenhum
Nitreto de Alumínio (AlN)	140-260	4.4	Baixo	Alto	Nenhum
Berílio (SejaO)	250	7.5	Baixo	Muito alto	Tóxico
Carboneto de Silício ( SiC)	270	3.7	Excelente	Moderado a alto	Nenhum
Nitreto de Silício (Si3N4 )	10-40	3.2	Excelente	Moderado a alto	Nenhum

Leitura adicional: Diferentes tipos de material de substrato PCB para o seu projeto

Aplicações de substrato cerâmico PCB

Os substratos cerâmicos para PCB são valorizados em muitos campos por suas propriedades distintas e alto desempenho. Seus usos abrangem diversos setores, algumas das principais áreas de aplicação incluem:

Energia renovável: Substratos cerâmicos de PCB são frequentemente usados ​​para produzir inversores para painéis solares fotovoltaicos e concentradores para concentradores fotovoltaicos. Seu isolamento elétrico e resistência a altas temperaturas os tornam altamente apropriados para essas aplicações específicas.

Automotivo: A indústria automotiva também utiliza substratos cerâmicos em muitos dispositivos. Os exemplos incluem sistemas de direção assistida elétrica, alternadores de partida integrados, e unidades de controle do motor. Ao permitir sistemas de veículos mais eficientes e limpos, a cerâmica ajuda a reduzir o consumo de combustível e as emissões de gases de escape.

Aeroespacial e defesa: A indústria aeroespacial aproveita substratos cerâmicos para aviônica, sistemas de orientação, e componentes de comunicação por satélite. Seu baixo peso é vantajoso para reduzir a carga útil e também para resistir à vibração. Para defesa, cerâmicas são empregadas em radares, sistemas de guerra eletrônica, e outros eletrônicos de alta frequência onde suas propriedades dielétricas se destacam.

Dispositivos médicos: Substratos cerâmicos são amplamente utilizados em dispositivos médicos que requerem isolamento elétrico, biocompatibilidade, e a capacidade de resistir à esterilização. Os exemplos incluem sensores de ferramentas cirúrgicas, instrumentação de laboratório, implantes médicos, e dispositivos microfluídicos.

Sem fio e telecomunicações: A capacidade de manipulação de alta frequência torna os substratos cerâmicos adequados para circuitos integrados de RF, antenas, filtros, e outros componentes usados ​​em dispositivos móveis, estações base, roteadores, etc. A baixa perda dielétrica dos materiais cerâmicos ajuda a minimizar a perda de sinal em circuitos de comunicação de alta frequência.

Escolhendo o substrato cerâmico certo para o seu projeto de PCB

• Considere a aplicação e as condições operacionais. Que temperatura, frequência, nível de poder, etc. o substrato precisará resistir? Isso ajudará a restringir suas opções. Substratos de alumina lidam bem com altas frequências, enquanto o nitreto de alumínio funciona melhor para alta condutividade térmica.
• Veja propriedades dielétricas como constante dielétrica e tangente de perda. Baixa perda, substratos de alta frequência tendem a ter constantes dielétricas mais baixas. A constante dielétrica afeta a correspondência de impedância e diafonia.
• Verifique propriedades mecânicas como resistência e expansão térmica. O substrato deve ser robusto o suficiente para processos de fabricação e uso final. Propriedades térmicas afetam a dissipação de calor.
• Considere a rugosidade e a espessura da superfície. Uma superfície lisa auxilia nos processos de deposição. Substratos mais finos são mais leves, mas podem ser mais frágeis. As espessuras padrão variam de 0,25 mm a 1 mm normalmente.
• Pesar custo e disponibilidade. Alguns materiais cerâmicos exóticos podem ter um custo mais elevado e prazos de entrega estendidos para aquisição. Materiais mais comuns como alumina e nitreto de alumínio são econômicos.

Os substratos cerâmicos oferecem funcionalidade inestimável para a eletrônica em praticamente todas as esferas da sociedade moderna. Este guia definitivo serviu como uma visão geral abrangente, na esperança de ajudar os leitores a entender melhor a seleção e uso do substrato cerâmico. Da combinação de propriedades dielétricas ao equilíbrio entre custo e disponibilidade, cobrimos os principais fatores a serem considerados ao escolher o material cerâmico certo. Se você tiver alguma outra dúvida não abordada aqui, sinta-se livre para contato nós.