Le tradizionali schede in fibra di vetro FR-4 tendono a sviluppare una forma ad "arco" dopo la saldatura a rifusione. Questo è un risultato inevitabile dello squilibrio tra lo stress termico e le proprietà fisiche del materiale. I PCB tradizionali soffrono di difetti di saldatura dei componenti e malfunzionamenti delle apparecchiature dovuti alla deformazione. Un tipo di PCB che utilizza la ceramica come substrato, con la sua stabilità fisica quasi-perfetta, sta diventando la scelta principale per dispositivi elettronici ad alta-potenza o ad alta affidabilità.
Perché i substrati ceramici non si deformano?
La causa principale della deformazione del PCB risiede nella mancata corrispondenza tra i coefficienti di dilatazione termica dei materiali e il rilascio dello stress interno. I normali substrati FR-4 sono formati incollando tessuto in fibra di vetro e resina epossidica. La resina si ammorbidisce quando riscaldata e si restringe quando viene raffreddata. La lamina di rame asimmetrica su entrambi i lati aggrava ulteriormente la deformazione.
I substrati ceramici possiedono caratteristiche completamente diverse. Utilizzano come base fogli di ceramica verde sinterizzata ad alta-temperatura, che presentano un modulo elastico molto elevato e un coefficiente di dilatazione termica estremamente basso. Durante la produzione, il foglio di rame viene attaccato alla superficie ceramica tramite pressatura a caldo ad alta-temperatura o tecnologia di placcatura diretta in rame, ottenendo un legame intermolecolare anziché un semplice legame adesivo. Ciò consente alla struttura composita di mantenere la stabilità dimensionale anche in condizioni di temperatura estreme.
Ceramica di allumina: il re del rapporto costo-efficacia
L'allumina è attualmente il materiale di substrato ceramico più utilizzato, contenente tra il 75% e il 99,5% di allumina. L'elevata purezza del 99,5% si traduce in una superficie liscia e densa con una perdita dielettrica estremamente bassa, che la rende adatta per circuiti ad alta-frequenza.
La conduttività termica dell'allumina è compresa tra circa 24 e 28 W/(m·K), significativamente superiore agli 0,3 W/(m·K di FR-4). Tuttavia, è ancora insufficiente nelle applicazioni ad altissima potenza. Vanta abbondanti materie prime, elevata resistenza meccanica ed eccellente stabilità chimica, che lo rendono un ottimo esempio di prodotto che bilancia prestazioni e costi, mantenendo così una posizione dominante nei campi della microelettronica e dei moduli di potenza.
L'elevata conduttività termica del nitruro di alluminio è-adatta bene ai wafer di silicio. L'emergere della ceramica al nitruro di alluminio ha risolto il problema dell'insufficiente conduttività termica dell'allumina, ottenendo una conduttività termica superiore a 170 W/(m·K), sette volte quella dell'allumina e addirittura superiore a quella dell'alluminio metallico.
Ancora più importante, il coefficiente di dilatazione termica del nitruro di alluminio è estremamente vicino a quello dei wafer di silicio semiconduttori. Quando i chip ad alta-potenza sono montati direttamente sul substrato, il coefficiente di espansione simile evita efficacemente lo stress di taglio causato dai cicli termici, prevenendo così la rottura del chip o l'affaticamento del giunto di saldatura. Il suo processo di produzione ha requisiti estremamente elevati per il controllo del contenuto di ossigeno; minori sono le impurità di ossigeno, maggiore è la conduttività termica.
Limitazioni di elevata conduttività termica e tossicità dell'ossido di berillio
Le ceramiche all'ossido di berillio mostrano un'eccezionale conduttività termica, superando addirittura quella del nitruro di alluminio, raggiungendo oltre 250 W/(m·K) a temperatura ambiente. Un tempo era il materiale preferito in campi con requisiti di dissipazione del calore estremamente severi.
Tuttavia, la polvere di ossido di berillio è tossica. Se la polvere generata durante la produzione e la lavorazione viene inalata, può causare gravi malattie polmonari. Allo stesso modo, se la polvere generata durante lo smaltimento viene inalata, può causare anche gravi malattie polmonari. Questo difetto fatale ne limita fortemente lo sviluppo. Attualmente viene utilizzato solo in pochissimi campi militari specializzati con misure di protezione globali e anche in pochissimi settori aerospaziali specializzati con misure di protezione globali. Il mercato civile è stato in gran parte sostituito dal nitruro di alluminio.
I principali vantaggi dei PCB ceramici
Il vantaggio più evidente dei substrati ceramici è la loro elevata capacità di trasporto di corrente. I dati sperimentali mostrano che quando una corrente da 100 A scorre continuamente attraverso un substrato di rame spesso 1 mm e 0,3 mm, l'aumento di temperatura è solo di circa 17 gradi. Se lo spessore del rame viene aumentato a 2 mm, l'aumento della temperatura può essere controllato entro 5 gradi.
Inoltre, ha eccellenti proprietà isolanti in grado di resistere all'alta tensione. Questa proprietà garantisce la sicurezza delle attrezzature e del personale. Poiché non richiede adesivi organici, le sue prestazioni sono estremamente stabili in ambienti ad alta-temperatura e alta-umidità. Inoltre, l'adesione del foglio di rame è molto forte e non si stacca a causa di drastici sbalzi di temperatura, rendendo la sua affidabilità di gran lunga superiore ai normali PCB.
Opzioni di produzione per PCB ceramici
Anche se i substrati ceramici mostrano prestazioni superiori, la loro natura fragile ne limita l'uso nella produzione di pannelli di grandi-aree e il loro prezzo è molto più alto dell'FR-4. Un substrato in nitruro di alluminio con lato di 100 mm può costare decine di volte di più di un FR-4 della stessa dimensione.
Pertanto, viene utilizzato principalmente in applicazioni di fascia alta-come LED ad alta-potenza, sistemi di accensione per automobili, alimentatori a commutazione ad alta-frequenza, applicazioni aerospaziali ed elettroniche militari. Scegliere un substrato ceramico significa fare una scelta di massima stabilità e affidabilità. Nella ricerca e sviluppo vera e propria o nella produzione-di piccoli lotti, la scelta di un produttore professionale e affidabile è estremamente cruciale. JEP PCB è profondamente coinvolta nel settore da molti anni, possedendo capacità professionali di lavorazione dei substrati ceramici. Dalla prototipazione alla produzione di massa, può fornire una risposta rapida e un supporto stabile del processo, garantendo che il tuo progetto ad alte{8} prestazioni possa essere realizzato con precisione.
Quindi, nella progettazione del tuo prodotto, darai priorità al controllo dei costi o sceglierai un substrato ceramico per via del suo aumento di temperatura di 5 gradi e della sua affidabilità e stabilità senza precedenti? Sentiti libero di condividere le tue opinioni nella sezione dei commenti, metti "Mi piace" e condividi questo articolo in modo che più ingegneri possano vedere questa-divulgazione scientifica approfondita.