Los sustratos cerámicos son placas especialmente diseñadas en las que una lámina de cobre se une directamente a la superficie (una o ambas caras) de un sustrato cerámico de alúmina (Al₂O₃) o nitruro de aluminio (AlN) a altas temperaturas. El sustrato compuesto ultrafino resultante presenta un excelente aislamiento eléctrico, alta conductividad térmica, soldabilidad superior y alta resistencia a la adhesión. Al igual que las placas de circuito impreso (PCB), se puede grabar con diversos patrones y posee una alta capacidad de conducción de corriente. Por lo tanto, los sustratos cerámicos se han convertido en un material fundamental para la estructura de circuitos electrónicos de alta potencia y las tecnologías de interconexión.

La llegada de los sustratos cerámicos ha impulsado nuevos desarrollos en la industria de las aplicaciones de disipación de calor. Gracias a sus características de disipación de calor, junto con ventajas como alta disipación de calor, baja resistencia térmica, larga vida útil y alta resistencia a la tensión, las mejoras en la tecnología y los equipos de producción han acelerado la reducción de precios, ampliando las áreas de aplicación de la industria LED, como luces indicadoras en electrodomésticos, luces de automóviles, farolas y grandes vallas publicitarias exteriores. El exitoso desarrollo de los sustratos cerámicos ha mejorado los servicios para productos de iluminación interior y exterior, ampliando el mercado futuro de la industria LED.

¿Cuáles son las características de los PCB de sustrato cerámico?

1. 1. Fuerte resistencia a la tensión mecánica y forma estable; alta resistencia, alta conductividad térmica y alto aislamiento; fuerte adhesión y resistencia a la corrosión.
2. 2. Excelente rendimiento en ciclos térmicos, con hasta 50.000 ciclos y alta fiabilidad.
3. 3. Se pueden grabar en diversos patrones y estructuras, similares a los PCB (o sustratos IMS); no contaminan y son inocuos.
4. 4. Amplio rango de temperatura de funcionamiento: de -55 °C a 850 °C. Coeficiente de expansión térmica cercano al del silicio, lo que simplifica el proceso de producción de módulos de potencia.

Materiales de sustrato cerámico comunes

1. Alúmina (Al₂O₃)

Los sustratos de alúmina son el material de sustrato más utilizado en la industria electrónica. Sus propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas son superiores a las de la mayoría de los demás óxidos cerámicos; su resistencia y estabilidad química son superiores, y su abundante materia prima los hace adecuados para una amplia gama de tecnologías y formas de fabricación. Los sustratos de alúmina de Sliton ya están disponibles para personalización 3D.

2. Óxido de berilio (BeO)

Tiene una conductividad térmica superior a la del aluminio metálico y se utiliza en aplicaciones que requieren alta conductividad térmica. Sin embargo, su rendimiento disminuye rápidamente por encima de los 300 °C. Y lo que es más importante, su toxicidad limita su desarrollo.

Las cerámicas de óxido de berilio están compuestas principalmente de óxido de berilio. Se utilizan principalmente como sustratos para circuitos integrados a gran escala, tubos láser de gas de alta potencia, disipadores de calor para transistores, ventanas de salida de microondas y moderadores de neutrones. El óxido de berilio puro (BeO) es un cristal cúbico con una densidad de 3,03 g/cm³. Su punto de fusión es de 2570 °C y presenta una conductividad térmica muy alta, casi equivalente a la del cobre y el aluminio puro. Su coeficiente de conductividad térmica, λ, es de 200-250 W/(m·K). También tiene una excelente resistencia al choque térmico. Su constante dieléctrica es de 6-7 (a 0,1 MHz) y su tangente de pérdida dieléctrica es de aproximadamente 4 × 10⁻４ (a 0,1 GHz). Su principal inconveniente es que el polvo es altamente tóxico y puede causar la cicatrización de heridas con el contacto. El polvo de óxido de berilio se utiliza como materia prima, y ​​el óxido de aluminio y otros ingredientes se añaden y sinterizan a altas temperaturas. La fabricación de esta cerámica requiere excelentes medidas de protección. El óxido de berilio se vuelve más volátil en medios húmedos de alta temperatura, comenzando a volatilizarse a 1000 °C y aumentando su volumen con el aumento de la temperatura. Esto dificulta la producción, y algunos países ya no lo producen. Sin embargo, a pesar de su elevado precio, su excelente rendimiento sigue generando una demanda considerable.

3. Nitruro de aluminio (AlN)

El AlN posee dos propiedades clave: alta conductividad térmica y un coeficiente de expansión similar al del silicio. Sin embargo, incluso una capa muy fina de óxido en la superficie puede afectar la conductividad térmica. La producción de sustratos de AlN con una calidad constante requiere un control estricto de los materiales y los procesos. Muy pocas empresas nacionales, como Slitong, son capaces de producir AlN a gran escala. En comparación con el Al₂O₃, el AlN es significativamente más caro, un obstáculo que ha obstaculizado su desarrollo. Sin embargo, con el crecimiento económico y los avances tecnológicos, este obstáculo desaparecerá con el tiempo.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, se puede observar que la cerámica de alúmina, gracias a su superior rendimiento general, sigue dominando y se utiliza ampliamente en campos como la microelectrónica, la electrónica de potencia, la microelectrónica híbrida y los módulos de potencia.

El AlN es estable hasta 2200 °C. Presenta una alta resistencia a temperatura ambiente, que disminuye lentamente con el aumento de la temperatura. Presenta una buena conductividad térmica y un bajo coeficiente de expansión térmica, lo que lo convierte en un material excelente para la resistencia al choque térmico. Es altamente resistente a la corrosión del metal fundido, lo que lo convierte en un material ideal para crisoles de fundición de hierro puro, aluminio o aleaciones de aluminio. El nitruro de aluminio también es un aislante eléctrico con excelentes propiedades dieléctricas, lo que lo convierte en un material prometedor para su uso en componentes eléctricos. Un recubrimiento de nitruro de aluminio sobre la superficie del arseniuro de galio lo protege de la implantación de iones durante el recocido.

El nitruro de aluminio también es un catalizador para la conversión de nitruro de boro hexagonal a nitruro de boro cúbico. Reacciona lentamente con el agua a temperatura ambiente. Se puede sintetizar a partir de polvo de aluminio en una atmósfera de amoníaco o nitrógeno a 800-1000 °C, lo que da como resultado un polvo de color blanco a gris azulado. Alternativamente, se puede sintetizar a partir de un sistema Al₂O₃-C-N₂ a 1600-1750 °C, lo que da como resultado un polvo blanquecino. También se puede producir mediante la reacción en fase de vapor de cloruro de aluminio y amoníaco. El recubrimiento se puede sintetizar utilizando el sistema AlCl₃-NH₃ mediante deposición en fase de vapor.

4. Nitruro de Silicio (Si₃N₄)

En 2012, Rogers Corporation lanzó la nueva serie curamik® de sustratos cerámicos de nitruro de silicio (Si₃N₄). Dado que el nitruro de silicio ofrece una mayor resistencia mecánica que otras cerámicas, los nuevos sustratos curamik® ayudan a los diseñadores a lograr la larga vida útil, crucial para entornos operativos hostiles y aplicaciones de vehículos híbridos eléctricos (HEV/EV) y otras energías renovables.

Los nuevos sustratos cerámicos de nitruro de silicio presentan una mayor resistencia a la flexión que los sustratos de Al₂O₃ y AlN. La tenacidad a la fractura del Si₃N₄ incluso supera la de la cerámica dopada con zirconio.

Procesos Comunes de Fabricación de Sustratos Cerámicos

Actualmente, los cinco tipos más comunes de sustratos cerámicos disipadores de calor son HTCC, LTCC, DBC, DPC y LAM. LAM es una tecnología patentada desarrollada por Slitron en colaboración con el Laboratorio Nacional de Optoelectrónica de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong. Tanto el HTCC como el LTCC utilizan procesos de sinterización, lo que resulta en mayores costos. El DBC y el DPC son tecnologías especializadas que recientemente han madurado y alcanzado la producción en masa en China. El DBC utiliza calentamiento a alta temperatura para unir Al₂O₃ a un sustrato de Cu. Sin embargo, el obstáculo técnico radica en la dificultad para resolver los microporos entre los sustratos de Al₂O₃ y Cu, lo que dificulta significativamente la capacidad de producción en masa y el rendimiento de este producto. El DPC, por otro lado, utiliza el recubrimiento directo de cobre para depositar Cu sobre un sustrato de Al₂O₃. Este proceso combina tecnologías de procesamiento de materiales y películas delgadas, dando como resultado productos que se han convertido en los sustratos cerámicos para disipadores de calor más utilizados en los últimos años. Sin embargo, el alto nivel de control de materiales y la integración de procesos requeridos hacen que la entrada en la industria del DPC y la obtención de una producción estable sean relativamente altas. La tecnología LAM también se conoce como metalización activada por láser.

1. HTCC (Cerámica Co-cocida a Alta Temperatura)

HTCC, también conocida como cerámica multicapa co-cocida a alta temperatura, tiene un proceso de fabricación muy similar al LTCC. La principal diferencia radica en que el polvo cerámico del HTCC no contiene vidrio. Por lo tanto, el HTCC debe secarse y endurecerse a una temperatura alta de 1300-1600 °C para formar un cuerpo verde. Posteriormente, se perforan, rellenan e imprimen las vías mediante serigrafía. La mayor temperatura de co-combustión limita la elección de materiales conductores metálicos. Se suelen utilizar metales con puntos de fusión más altos pero menor conductividad, como el tungsteno, el molibdeno y el manganeso. Finalmente, las capas se sinterizan para formar el producto terminado.

2. LTCC (Cerámica Co-cocida a Baja Temperatura)

El LTCC, también conocido como sustrato cerámico multicapa co-cocido a baja temperatura, consiste en mezclar polvo de alúmina inorgánica con aproximadamente un 30%-50% de vidrio y un aglutinante orgánico para crear una suspensión. Esta suspensión se raspa en láminas utilizando una rasqueta. Tras un proceso de secado, las láminas se transforman en finas láminas verdes. Se perforan vías según el diseño de cada capa para transmitir señales. Los circuitos internos del LTCC se serigrafian, rellenando los orificios e imprimiendo los circuitos en las láminas verdes. Los electrodos internos y externos pueden estar hechos de metales como plata, cobre y oro. Finalmente, las capas se laminan y sinterizan en un horno de sinterización a 850-900 °C para completar el proceso.

3. DBC (Cobre de Unión Directa)

La tecnología de unión directa de cobre utiliza la solución eutéctica de cobre con oxígeno para unir el cobre directamente a la cerámica. El principio básico consiste en introducir una cantidad adecuada de oxígeno entre el cobre y la cerámica antes o durante el proceso de unión. En un rango de temperatura de 1065 °C a 1083 °C, el cobre y el oxígeno forman una solución eutéctica de Cu-O. La tecnología DBC utiliza esta solución eutéctica para reaccionar químicamente con el sustrato cerámico y formar una fase de CuAlO₂ o CuAl₂O₄, a la vez que humedece la lámina de cobre para lograr la unión entre los sustratos cerámico y de cobre.

¿Cuáles son las ventajas de las PCB con sustrato cerámico?

1. ◆ El coeficiente de expansión térmica de los sustratos cerámicos es similar al de los chips de silicio, lo que elimina la necesidad de láminas de Mo de capa de transición, ahorrando mano de obra, materiales y costes.
2. ◆ La reducción de las capas de soldadura reduce la resistencia térmica, reduce los huecos y mejora el rendimiento. 3. ◆ Con la misma capacidad de conducción de corriente, el ancho de traza de una lámina de cobre de 0,3 mm de espesor es solo el 10 % del de una placa de circuito impreso típica.
3. ◆ Su excelente conductividad térmica permite un encapsulado de chips muy compacto, lo que aumenta significativamente la densidad de potencia y mejora la fiabilidad del sistema y del dispositivo.
4. ◆ Los sustratos cerámicos ultrafinos (0,25 mm) pueden sustituir al BeO sin problemas de toxicidad ambiental.
5. ◆ Alta capacidad de conducción de corriente: una corriente continua de 100 A que fluye a través de un conductor de cobre de 1 mm de ancho y 0,3 mm de espesor produce un aumento de temperatura de aproximadamente 17 °C; una corriente continua de 100 A que fluye a través de un conductor de cobre de 2 mm de ancho y 0,3 mm de espesor produce un aumento de temperatura de tan solo aproximadamente 5 °C.
6. ◆ Baja resistencia térmica: la resistencia térmica de un sustrato cerámico de 10 × 10 mm es de 0,31 K/W para un sustrato cerámico de 0,63 mm de espesor. La resistencia térmica de un sustrato cerámico de 0,38 mm de espesor es de 0,19 K/W, y la de un sustrato cerámico de 0,25 mm de espesor es de 0,14 K/W.
7. ◆ Alta tensión de resistencia al aislamiento, que garantiza la seguridad personal y la protección del equipo.
8. ◆ Permite nuevos métodos de empaquetado y ensamblaje, lo que permite productos altamente integrados y reduce el tamaño.

¿Cuáles son los usos de las PCB de sustrato cerámico?

◆ Módulos semiconductores de alta potencia; refrigeradores de semiconductores, calentadores electrónicos; circuitos de control de potencia de RF, circuitos híbridos de potencia.
◆ Componentes de potencia inteligentes; fuentes de alimentación conmutadas de alta frecuencia, relés de estado sólido.
◆ Componentes electrónicos para automoción, aeroespacial y militares. ◆ Conjuntos de paneles solares; conmutadores dedicados para telecomunicaciones, sistemas de recepción; láseres y otros productos electrónicos industriales.

La aparición de los sustratos cerámicos ha impulsado el desarrollo de la industria de las aplicaciones de disipación térmica. Gracias a sus características de disipación térmica, junto con ventajas como alta disipación térmica, baja resistencia térmica, larga vida útil y resistencia al voltaje, las mejoras en la tecnología y los equipos de producción han propiciado una rápida racionalización de precios, ampliando aún más las áreas de aplicación de la industria LED, como luces indicadoras en electrodomésticos, iluminación automotriz, alumbrado público y grandes vallas publicitarias exteriores. El exitoso desarrollo de los sustratos cerámicos ampliará aún más el mercado futuro de la industria LED al ofrecer servicios para productos de iluminación interior y exterior.