Qual é o processo de fabricação de PCB cerâmica?

Processo de fabricação de PCB cerâmico

Placas de circuito impresso de cerâmica são componentes eletrônicos de alto desempenho caracterizados pela resistência a altas temperaturas, alta freqüência, alta tensão, e alta confiabilidade. Eles são amplamente utilizados na indústria aeroespacial, militares, telecomunicações, e outros campos. A seguir descreve o processo típico de fabricação de PCBs cerâmicos.

1. Preparação de Matéria Prima

O desempenho dos PCBs cerâmicos depende muito da pureza, distribuição de tamanho de partícula, e estabilidade química do substrato de pó cerâmico. Portanto, o primeiro passo é a seleção e tratamento cuidadosos dos materiais de base.

Composição de matérias-primas:

• Pós cerâmicos: como óxido de alumínio (Al₂O₃), nitreto de alumínio (AlN), óxido de zircônio (ZrO₂), óxido de magnésio (MgO), com pureza superior 99%;

• Ligantes orgânicos: como PVA (álcool polivinílico), polietilenoglicol, usado para ligação temporária;

• Solventes e aditivos: usado para ajustar a fluidez e a formação de filme, incluindo etanol, acetona, butanona, dispersantes, etc..

Fluxo do Processo:
Seleção de matéria-prima cerâmica → moagem e mistura de bolas → desaeração a vácuo → secagem e granulação → armazenamento para uso

Foco de controle:

• Tamanho de partícula controlado entre 0.5 para 3 μm;

• Distribuição uniforme para evitar defeitos de sinterização como porosidade ou rachaduras;

• Controle rigoroso de umidade e impurezas para evitar bolhas de gás durante a sinterização.

2. Impressão de pasta cerâmica ou moldagem por laminação

O pó cerâmico misto, aglutinante orgânico, e a pasta de solvente é impressa em substratos cerâmicos para formar os padrões de circuito e locais de montagem de componentes necessários. O método de formação varia de acordo com os diferentes tipos de PCB cerâmicos:

• UM. Impressão de filme grosso/filme fino (para placas cerâmicas monocamada):
  A pasta cerâmica ou condutora é impressa no substrato por meio de serigrafia ou impressão a jato de tinta;
  Padrões funcionais como circuitos, almofadas, camadas capacitivas, e padrões indutivos são formados.

• B. Laminação de fita verde (para LTCC/HTCC):
  Pós cerâmicos são misturados em “fitas verdes” e laminado por prensagem a quente para formar estruturas multicamadas;
  Circuitos condutores são impressos em cada camada, com vias criadas para estabelecer conexões elétricas.

Equipamento principal:

• Impressoras de tela automáticas

• Máquinas de alinhamento de laminação de precisão

• Prensas a vácuo / prensas isostáticas (o último para formas complexas)

3. Secagem e Pré-cura

Os substratos impressos ou laminados são colocados em um forno com temperatura controlada para secagem em baixa temperatura de 80~120°C para 1-2 horas.
Esta etapa evapora os solventes na pasta, melhorando a estabilidade inicial do padrão e prevenindo defeitos como bolhas ou delaminação durante a sinterização subsequente.

Pontos-chave:

• Secagem uniforme com aumento de temperatura controlado para evitar acúmulo de tensão interna;

• Conduzido em sala limpa ou ambiente controlado para evitar contaminação por poeira.

4. Sinterização em alta temperatura (Densificação)

Esta é a etapa crítica para a formação de PCB cerâmico.

Processo de Sinterização:

• Placas cerâmicas secas são colocadas em um forno de alta temperatura seguindo uma curva de sinterização programada;

• As temperaturas normalmente variam de 1300 a 1650°C;

• A duração da sinterização é 2-4 horas (incluindo aquecimento, imersão, e fases de resfriamento);

• A atmosfera do forno pode ser ar, azoto, hidrogênio, ou vácuo dependendo do tipo de cerâmica e método de metalização.

Resultados de sinterização:

• Grãos de pó cerâmico reorganizados, formando um contínuo, estrutura policristalina densa;

• As placas finais atingem a resistência mecânica desejada, estabilidade dimensional, condutividade térmica, e isolamento elétrico.

5. Metalização de Superfície (Formação de Circuito Condutivo)

Depois da sinterização, substratos cerâmicos são isolantes e requerem metalização para depositar camadas condutoras formando os padrões do circuito.

Técnicas Comuns de Metalização:

6. Soldagem e montagem de componentes

Após metalização e padronização, componentes eletrônicos são soldados nos circuitos.

Técnicas Comuns:

• Soldagem por refluxo (Montagem SMD)

• Soldagem a laser, soldagem ultrassônica (para cabos ou pinos de alimentação)

• Sinterização de pasta de prata (especialmente adequado para montagem de chips IGBT)

Recursos do processo:

• PCBs cerâmicos resistem a altas temperaturas (>800° c), compatível com vários métodos de soldagem de alta temperatura;

• A forte ligação cobre-cerâmica proporciona excelente resistência ao choque térmico e alta capacidade de corrente.

7. Teste

PCBs concluídos passam por inspeções rigorosas, incluindo:

• Teste elétrico: Verifique as conexões corretas do circuito, sem curtos ou circuitos abertos, garantindo uma operação confiável com dispositivos conectados.

• Teste Térmico: Avalie a condução de calor e o desempenho de convecção, crucial para PCBs expostos a altas temperaturas.

• Teste Mecânico: Aplicar flexão, vibração, ou outras tensões para testar a resiliência mecânica.

Seja usado em satélites, veículos elétricos, ou dispositivos médicos, cada teste é fundamental para garantir a operação confiável de PCBs cerâmicos nas aplicações pretendidas.

8. Modelagem, Corte, e Embalagem

• Modelagem:
  A perfuração mecânica não é adequada para cerâmica; processamento a laser (UV, CO₂) é empregado para perfuração, Cortes em V, ranhuras, e vias com controle de precisão.

• Limpeza e Embalagem:
  Limpeza ultrassônica com água deionizada;
  Secagem seguida de selagem a vácuo;
  Para produtos sensíveis, dessecantes e sacos antiestáticos são adicionados.