PCB cerámicos: materiales, diseño térmico y aplicaciones

Un sustrato cerámico es un tipo especial de placa que se fabrica uniendo directamente una lámina de cobre a la superficie de una lámina de óxido o cerámica a alta temperatura. El cobre se une a la cerámica mediante un proceso a alta temperatura para que el metal y la cerámica formen una base estable para los circuitos.

Propiedades de los PCB cerámicos

Propiedades mecánicas (cómo se forman las trazas de los circuitos)

a. Tienen una gran resistencia mecánica. Pueden sujetar piezas y también actuar como estructuras de soporte.
b. Son fáciles de mecanizar. Mantienen las dimensiones exactas. Pueden fabricarse en muchas capas.
c. Su superficie es lisa. No se deforman, ni se doblan, ni presentan pequeñas grietas.

Propiedades eléctricas

a. Tienen una alta resistencia de aislamiento y una alta tensión de ruptura. Esto mantiene los circuitos a salvo de cortocircuitos y de daños por alta tensión.
b. Tienen baja constante dieléctrica y baja pérdida dieléctrica. Esto ayuda a que las señales pasen con menos pérdidas.
c. Su rendimiento se mantiene estable a altas temperaturas y alta humedad. Esto ayuda a garantizar la fiabilidad en condiciones de uso duras.

Propiedades térmicas

a. Tienen una alta conductividad térmica. Esto ayuda a alejar el calor de las piezas calientes.
b. Su coeficiente de dilatación térmica puede coincidir con el de materiales afines, especialmente el silicio. Esta coincidencia reduce la tensión cuando las piezas se calientan y se enfrían.
c. Tienen buena resistencia al calor. Permanecen estables a altas temperaturas.

Otras propiedades

a. Son químicamente estables. Son fáciles de metalizar. Los patrones de circuitos se adhieren bien a ellos.
b. No absorben la humedad. Son resistentes al aceite y a los ataques químicos. Liberan poca radiación.
c. Los materiales utilizados son inocuos y no tóxicos. Su estructura cristalina no cambia en el intervalo de temperaturas de trabajo.
d. Las materias primas son abundantes. La tecnología está madura. Son fáciles de fabricar y su precio es bajo.

Métodos para fabricar sustratos cerámicos

Antes de cocer la cerámica, existen cuatro métodos habituales de conformado. Se trata del prensado de polvo (que puede ser prensado en molde o prensado isostático), la extrusión, el colado en cinta y el moldeo por inyección. En los últimos años, el moldeo en cinta es el más utilizado para los paquetes LSI y los sustratos de circuitos híbridos, ya que es más fácil hacer muchas capas y tiene una mayor eficiencia de producción.

Las rutas de proceso habituales son estas tres:

Apilar capas - prensar en caliente - retirar el aglutinante - cocer la lámina base - formar patrones de circuito - cocer el circuito.
Apilar capas - imprimir el patrón del circuito en la superficie - prensar en caliente - retirar el aglutinante - cocer.
Imprimir patrón de circuito - apilar - prensar en caliente - retirar carpeta - cocer.

Metalización de PCB cerámicos

a. Método de película gruesa:

En el método de película gruesa, los conductores (las trazas del circuito) y las resistencias se forman sobre la cerámica mediante serigrafía. Tras la impresión, las piezas se sinterizan para formar el circuito y las almohadillas de contacto. Los aglutinantes utilizados para fijar el metal impreso son de tipo vidrio, de tipo óxido y de tipo mixto vidrio-óxido.

b. Método de película fina:

La película fina utiliza métodos de vacío como la evaporación, el recubrimiento iónico o la pulverización catódica para aplicar el metal. Dado que la película fina deposita el metal a partir de la fase gaseosa, en principio puede depositarse cualquier metal. También se puede metalizar cualquier sustrato. Pero la dilatación térmica de la película metálica y del sustrato cerámico debe coincidir en la medida de lo posible. También es importante aumentar la adherencia de la capa metálica a la cerámica.

c. Método de cocción conjunta:

Antes de la cocción, las pastas metálicas refractarias de Mo, W y metales similares se serigrafían sobre las láminas cerámicas sin cocer. A continuación, la pila se desbarba y se cuece para que la cerámica y el metal formen una estructura integral. Este método presenta las siguientes características:
■ Puede formar líneas de circuito muy finas y es fácil hacer muchas capas, por lo que es posible un cableado de alta densidad.
■ Como el aislante y el conductor se forman juntos, es posible el sellado hermético en paquetes.
Eligiendo la composición, la presión de conformado y la temperatura de sinterización adecuadas, se puede controlar la contracción por sinterización. Especialmente cuando se fabrica un sustrato con una contracción cero en el plano, se abre la posibilidad de utilizarlo en BGA, CSP y embalajes de alta densidad de chip desnudo.

Tipos de sustratos cerámicos

Sustrato de alúmina (Al₂O₃)

a. Materia prima: El Al₂O₃ se fabrica a menudo por la Proceso Bayer. En este método, la materia prima es la bauxita, que incluye óxidos de aluminio hidratados y compuestos relacionados.
b. Fabricación: Las cerámicas de Al₂O₃ suelen fabricarse apilando láminas sin cocer. A menudo se utiliza un aglutinante como el butiral de polivinilo (PVB). La temperatura de cocción varía en función de los coadyuvantes de sinterización añadidos, y suele ser de 1550-1600°C. Los métodos de metalización del Al₂O₃ son principalmente los de película gruesa y los de cocción conjunta. Las pastas y la tecnología del proceso están maduras. Hoy en día satisfacen muchas necesidades de aplicación.
c. Aplicaciones: Sustratos para circuitos integrados híbridos, sustratos para paquetes LSI y sustratos para circuitos multicapa.

Sustrato de mullita (3Al₂O₃-2SiO₂)

La mullita es una de las fases cristalinas más estables del sistema Al₂O₃-SiO₂. En comparación con el Al₂O₃, la mullita tiene una resistencia mecánica y una conductividad térmica algo menores, pero su constante dieléctrica es más baja. Esta constante dieléctrica más baja puede ayudar a mejorar la velocidad de la señal. Su coeficiente de expansión térmica también es bajo, lo que reduce el estrés térmico en el LSI montado. Además, la diferencia de dilatación con metales conductores como el Mo y el W es menor, por lo que la cocción conjunta provoca menos tensión entre el metal y la cerámica.

Sustrato de nitruro de aluminio (AlN)

a. Materia prima: El AlN no es un mineral natural. Es un material artificial sintetizado por primera vez en el siglo XIX. Los polvos típicos de AlN se fabrican mediante nitruración por reducción o nitruración directa. El método de nitruración por reducción parte del Al₂O₃ y utiliza carbono de gran pureza para reducirlo y, a continuación, reacciona con nitrógeno para formar AlN. El método de nitruración directa hace reaccionar polvo de Al con N₂ para formar AlN directamente.
b. Conformación: Los mismos métodos de conformado utilizados para los sustratos de Al₂O₃ pueden utilizarse para el AlN. La ruta más utilizada es el apilamiento de láminas sin cocer. Para ello, se mezclan polvo de AlN, aglutinantes orgánicos, disolvente y un tensioactivo para obtener una pasta cerámica. La lechada se funde con cinta, se apila, se prensa en caliente, se desbarba y, a continuación, se cuece para fabricar el sustrato de AlN.
c. Características del sustrato de AlN: El AlN tiene una conductividad térmica más de diez veces superior a la del Al₂O₃. Su coeficiente de expansión térmica (CTE) es igual al del silicio. En comparación con el Al₂O₃, el AlN tiene mayor resistencia de aislamiento y mayor tensión de ruptura. Su constante dieléctrica es menor. Estas características hacen que el AlN sea muy valioso para los sustratos de encapsulado.
d. Aplicaciones: Utilizado para módulos amplificadores de potencia en banda VHF, dispositivos de alta potencia y sustratos de diodos láser.

Sustrato de carburo de silicio (SiC)

a. Materia prima: El SiC no es un mineral natural. Se fabrica mezclando sílice, coque y un poco de sal en forma de polvo. La mezcla se calienta en un horno de grafito a más de 2000°C para que reaccione y forme α-SiC. Después, el SiC puede purificarse por sublimación para obtener un bloque de material policristalino de color verde oscuro.
b. Fabricación: El SiC tiene una estabilidad química y térmica muy elevada, por lo que los métodos de cocción normales dificultan su densificación. Se necesitan auxiliares de sinterización y métodos de cocción especiales. Se suele utilizar el prensado en caliente al vacío.
c. Características del SiC: Una característica clave es su gran coeficiente de difusión térmica. Puede ser incluso mayor que el del cobre. Su dilatación térmica es más parecida a la del silicio. Pero el SiC tiene algunos inconvenientes. Su constante dieléctrica es relativamente alta y su tensión de ruptura no es tan buena como la de otras cerámicas.
d. Aplicaciones: Los sustratos de SiC se utilizan cuando se necesita una alta dispersión del calor y el voltaje no es elevado. Se utilizan para paquetes disipadores de calor VLSI, LSI lógicos de alta velocidad y alta integración con disipadores de calor, grandes ordenadores y sustratos de diodos láser para comunicaciones ópticas.

Sustrato de berilio (BeO)

El BeO tiene una conductividad térmica varias veces superior a la del Al₂O₃. Funciona bien en circuitos de alta potencia. Su constante dieléctrica es baja, por lo que resulta adecuado para circuitos de alta frecuencia. Los sustratos de BeO suelen fabricarse por prensado en seco. También pueden fabricarse por la vía de láminas sin cocer con pequeñas adiciones de MgO o Al₂O₃. Como el polvo de BeO es tóxico, los productos de BeO plantean problemas medioambientales y sanitarios. En Japón no está permitida la producción de sustratos de BeO y hay que importarlo de lugares como Estados Unidos.

Comparación de algunos materiales cerámicos y tipos de sustrato

Desde el punto de vista de la estructura y los métodos de fabricación, los sustratos cerámicos pueden agruparse en HTCC, LTCC, TFC, DBC, DPC, etc. Los sustratos cerámicos se utilizan cada vez más en envases electrónicos y en electrónica de potencia como IGBT (transistor bipolar de puerta aislada), LD (diodo láser), LED de alta potencia y CPV (concentrador fotovoltaico) debido a su buena conductividad térmica, resistencia al calor, aislamiento, baja expansión térmica y coste decreciente.

Los materiales de base cerámica más comunes son BeO, Al₂O₃, AlN y Si₃N₄. Entre ellos, el Si₃N₄ tiene un aislamiento eléctrico y una estabilidad química muy elevados. También tiene buena estabilidad térmica y alta resistencia mecánica. Puede utilizarse para placas de circuitos de alta densidad y alta integración.

Multicapa cerámica de cocción a alta temperatura (HTCC)

HTCC es un sustrato cerámico cocido a alta temperatura. Para fabricar HTCC, primero se mezcla polvo cerámico como Al₂O₃ o AlN con un aglutinante orgánico. La mezcla se convierte en una pasta y, a continuación, se forman láminas con una rasqueta o métodos similares. Las láminas secas se convierten en cuerpos verdes. Se taladran los agujeros para las vías y se serigrafían las pastas conductoras para el cableado y el relleno de las vías. A continuación, las láminas verdes se apilan y se introducen en un horno de alta temperatura, en torno a 1600 °C, para su sinterización. Como la temperatura de sinterización es alta, la elección de los metales conductores es limitada. Se utilizan metales con altos puntos de fusión pero menor conductividad, como el wolframio, el molibdeno y el manganeso. El coste es elevado y la conductividad térmica oscila en torno a 20-200 W/(m-°C).

PCB de cerámica cocida a baja temperatura (LTCC)

LTCC es una cerámica de cocción a baja temperatura. Sus pasos de fabricación son similares a los de la HTCC. La diferencia es que el polvo de Al₂O₃ incluye 30-50% en masa de vidrio de bajo punto de fusión. Esto reduce la temperatura de cocción a unos 850-900°C. Como la temperatura de cocción es baja, pueden utilizarse metales conductores con buena conductividad, como el oro y la plata, para electrodos y trazas. LTCC utiliza serigrafía para las líneas metálicas. Este método puede presentar errores de alineación debido al estiramiento de la malla. Además, cuando las multicapas se apilan y se cocinan conjuntamente, pueden producirse diferentes contracciones que perjudican el rendimiento. Para aumentar la conductividad térmica de los LTCC, pueden añadirse vías térmicas o conductivas en las zonas de los componentes, pero esto aumenta el coste.

Sustrato cerámico de capa gruesa (TFC)

Comparado con el LTCC y el HTCC, el TFC es un sustrato cerámico postcocción. Utiliza serigrafía para aplicar pastas metálicas sobre la superficie de la base cerámica. Tras el secado, la pieza se cuece a alta temperatura (700-800°C). Las pastas metálicas están compuestas de polvo metálico, resina orgánica y vidrio. Tras la cocción, la resina se quema y la capa que queda es principalmente de metal unido por un adhesivo vítreo a la superficie cerámica. El grosor de la capa metálica cocida suele ser de 10-20 μm y la anchura mínima de la línea es de unos 0,3 mm. Dado que la tecnología está madura, el proceso es sencillo y el coste es bajo, el TFC se utiliza cuando las necesidades de precisión del patrón no son elevadas.

Placa de circuito impreso (PCB) de cobre-cerámica de enlace directo (DBC)

El DBC se fabrica por co-sinterización o unión eutéctica de una lámina de cobre a una lámina cerámica a alta temperatura (unos 1065°C). Tras la unión, se forman patrones de circuito mediante grabado. Como la lámina de cobre tiene buena conducción eléctrica y térmica y el Al₂O₃ puede controlar la expansión del compuesto Cu-Al₂O₃-Cu, el DBC tiene una expansión térmica cercana a la de la alúmina. El DBC tiene buena conducción térmica, fuerte aislamiento y alta fiabilidad. Se utiliza mucho en el embalaje de IGBT, diodos láser y CPV. El DBC tiene inconvenientes. La reacción eutéctica a alta temperatura entre Cu y Al₂O₃ requiere un control estricto del equipo y el proceso, por lo que el coste es mayor. Pueden formarse microporos entre el Al₂O₃ y el Cu, lo que reduce la resistencia al choque térmico. La lámina de cobre puede deformarse a altas temperaturas, por lo que el grosor del cobre en el DBC suele ser superior a 100 μm. También se utiliza el grabado para formar patrones, por lo que la anchura mínima de las líneas suele ser superior a 100 μm.

Placa de circuito impreso cerámica de cobre con chapado directo (DPC)

El DPC comienza con la limpieza y el pretratamiento de la lámina cerámica. A continuación, se deposita una capa semilla de Ti/Cu mediante pulverización catódica al vacío sobre la superficie del sustrato. La fotolitografía, el revelado y el grabado se utilizan para formar el patrón del circuito. A continuación, se utiliza la galvanoplastia o el revestimiento químico para aumentar el grosor del circuito. Una vez eliminada la capa fotorresistente, el sustrato está completo. El DPC presenta las siguientes ventajas: proceso a baja temperatura (inferior a 300°C), por lo que evita los inconvenientes de las altas temperaturas para los materiales y circuitos y reduce el coste de fabricación. El uso de película fina y fotolitografía hace que las líneas de metal en el sustrato sean más finas. Por tanto, el DPC es muy adecuado para paquetes que necesitan una gran precisión de alineación. Pero el DPC también tiene sus inconvenientes. El grosor del cobre galvánico es limitado, y el líquido residual de la galvanoplastia puede contaminar. La adherencia entre la capa metálica y la cerámica es menor, por lo que la fiabilidad del producto puede ser menor.

Notas sobre el uso y la selección

Al elegir un sustrato cerámico, adapte el material a las necesidades de la aplicación. Si necesita una alta conductividad térmica y una expansión térmica cercana a la del silicio, el AlN o el SiC pueden ser los mejores. Si lo que importa es el coste y un procesamiento maduro, el Al₂O₃ es una opción sólida. Si necesita líneas finas y un procesamiento a baja temperatura, DPC y LTCC pueden funcionar. Si necesita un cableado multicapa de alta densidad y un sellado hermético, las rutas de cocción como LTCC o HTCC con metal co-sinterizado pueden ser las adecuadas.

Entre las áreas de aplicación más comunes se encuentran los módulos de potencia, los amplificadores de potencia de RF, los módulos de diodos láser, los LED de alta potencia y el envasado de LSI de alta densidad. La electrónica de potencia se beneficia de los sustratos cerámicos porque mueven bien el calor y mantienen el aislamiento y la resistencia mecánica en condiciones de estrés térmico. Los dispositivos de radiofrecuencia se benefician de su baja pérdida dieléctrica y sus propiedades dieléctricas estables. Los envases de alta densidad se benefician de la posibilidad de hacer líneas finas y apilar muchas capas con un buen control de la alineación si el proceso es adecuado.

Compromisos de fabricación y aspectos prácticos

Cada tipo de cerámica y cada proceso tiene sus ventajas y sus inconvenientes. El HTCC utiliza altas temperaturas de cocción, por lo que emplea metales refractarios como conductores. Esto limita la conductividad y aumenta el coste, pero el HTCC puede ser muy robusto a altas temperaturas. El LTCC reduce la temperatura de cocción añadiendo vidrio, lo que permite utilizar mejores conductores, pero puede presentar problemas de contracción y alineación en multicapas. El TFC es barato y sencillo, pero no permite obtener patrones muy finos. El DBC ofrece una excelente dispersión del calor con cobre grueso, pero su límite de patrón y su coste de fabricación pueden ser un problema. El DPC permite patrones finos y un procesamiento a baja temperatura, pero hay que tener cuidado con la adherencia y el control de los residuos.

Co-cocción vs metalización post-cocción

La cocción conjunta consiste en imprimir pastas metálicas sobre la cerámica verde y cocerlo todo junto. De este modo se pueden conseguir características muy pequeñas y un verdadero cableado multicapa. También permite que la cerámica y el metal se conviertan en un cuerpo integrado, lo que facilita el sellado hermético. Pero la cocción conjunta requiere un control cuidadoso de los materiales para igualar la contracción y la sinterización. La metalización posterior a la cocción, como una película gruesa o fina sobre cerámica cocida, evita los problemas de contracción de la co-sinterización. Puede ser más fácil para necesidades de una sola capa o de doble capa simple. Pero los métodos de postcocción pueden no alcanzar la misma densidad de cableado y tener propiedades térmicas o de adhesión diferentes.

Ejemplos de flujos de procesos típicos (breve resumen)

Para sustrato multicapa cocido: hacer pasta cerámica, colar cinta, perforar vías en cinta verde, imprimir pastas conductoras por pantalla, apilar cintas, prensar y desenrollar, y luego cocer. Después de la cocción, realice el procesamiento final, como la metalización de la almohadilla y el grabado del circuito, si es necesario.
Para película gruesa sobre cerámica: utilizar sustrato cerámico cocido, serigrafiar pastas conductoras y resistencias, cocer a 700-800°C, después recortar las resistencias y añadir las almohadillas metálicas finales.
Para DPC: limpiar la cerámica, depositar la semilla de Ti/Cu por pulverización catódica, crear el patrón fotorresistente, grabar la semilla para crear el patrón, electrodepositar para hacer crecer el cobre, retirar la resistencia y limpieza final.

Resumen

Los PCB cerámicos son una clase de materiales de sustrato que ofrecen ventajas únicas para el envasado electrónico. Ofrecen buenas trayectorias térmicas, un comportamiento eléctrico estable a temperatura y una buena resistencia mecánica. Las distintas opciones cerámicas y las diferentes rutas de metalización permiten a los diseñadores equilibrar el coste, el rendimiento térmico, el rendimiento eléctrico y las necesidades de patrones de líneas finas. Por ello, los sustratos cerámicos se utilizan ampliamente en electrónica de potencia, módulos de RF, paquetes de láser y diodos, LED de alta potencia y muchos campos de embalaje de alta densidad.

Preguntas frecuentes

¿Qué tipos de materiales cerámicos se utilizan habitualmente?

Las más comunes son la alúmina (Al₂O₃) para uso general y el nitruro de aluminio (AlN) para una mayor conductividad térmica; otras cerámicas especializadas (por ejemplo, el carburo de silicio) se utilizan para necesidades específicas de alta potencia o alta temperatura.

¿Qué procesos de fabricación se utilizan para las placas de circuito impreso cerámicas?

Las placas de circuito impreso cerámicas se fabrican mediante procesos como la impresión de película gruesa, la deposición de película fina, el mecanizado por láser y la metalización (cobre o plata), seguidos de la cocción y el acabado.

¿Cuáles son las principales ventajas de las placas de circuito impreso cerámicas frente a las FR-4?

Ventajas clave: conductividad térmica mucho mejor (disipación del calor), menor coeficiente de expansión térmica (CTE), tolerancia a altas temperaturas y excelente aislamiento eléctrico, lo que los hace ideales para LED, electrónica de potencia y aplicaciones de RF/alta frecuencia.

¿Son más caras las placas de circuito impreso cerámicas?

Sí: los costes de los materiales y los procesos especializados (cocción, mecanizado por láser, metalización) hacen que las placas de circuito impreso cerámicas sean más caras que las FR-4 estándar; sin embargo, para diseños de alta potencia o fiabilidad pueden reducir los costes del sistema al mejorar el rendimiento y la vida útil.

¿Pueden utilizarse placas de circuito impreso cerámicas para aplicaciones de alta frecuencia/RF?

Sí. Los sustratos cerámicos ofrecen propiedades dieléctricas estables y bajas pérdidas a altas frecuencias, lo que los convierte en una buena elección para componentes de circuitos de RF y microondas.

Cómo debo elegir entre alúmina (Al₂O₃) y nitruro de aluminio (AlN)?

Elija la alúmina por su rentabilidad y uso general; elija el AlN cuando necesite una mayor conductividad térmica y una mejor gestión térmica para aplicaciones de alta potencia. Su elección debe reflejar los requisitos térmicos, mecánicos y presupuestarios.

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