Las placas de circuito impreso (PCB) de óxido de aluminio mejoran la gestión térmica en electrónica

En industrias donde las altas temperaturas, las altas frecuencias y las condiciones adversas son la norma, las placas de circuito impreso (PCB) convencionales a menudo se quedan cortas. Las PCB cerámicas de alúmina (Al ₂ O ₃ ) han surgido como una alternativa superior, ofreciendo propiedades térmicas, eléctricas y mecánicas excepcionales. Con una composición del 96% de alúmina, estos sustratos cerámicos se adoptan cada vez más en diversas aplicaciones, desde iluminación LED hasta dispositivos médicos.

La cerámica de alúmina al 96% es el material más utilizado para PCB y embalajes cerámicos debido a su rendimiento equilibrado y rentabilidad. Sus propiedades notables incluyen:

• Gestión térmica: Con una conductividad térmica de 22–24 W/mK, la alúmina disipa el calor de manera eficiente o permite un calentamiento uniforme, lo cual es fundamental para la electrónica de potencia y los LED de alto brillo.
• Compatibilidad de alta frecuencia: Una constante dieléctrica baja (9,8 a 1 MHz) y una pérdida dieléctrica mínima garantizan la integridad de la señal en aplicaciones de RF y microondas.
• Robustez mecánica: Una resistencia a la flexión de 400 MPa y una absorción de agua cercana a cero (0%) la hacen ideal para entornos difíciles y embalajes herméticos.
• Estabilidad térmica: Funciona hasta 350°C con un bajo coeficiente de expansión térmica (6–8 ppm/°C), lo que reduce la tensión de las juntas de soldadura.

La versatilidad de las PCB de alúmina permite su uso en campos especializados:

• Iluminación LED: La alta reflectividad (94%) y la disipación térmica mejoran la luminosidad y la longevidad.
• Electrónica médica: La biocompatibilidad y la fiabilidad cumplen con los estrictos estándares de seguridad para dispositivos implantables y de diagnóstico.
• Electrónica de potencia: Maneja altas densidades de corriente en accionamientos de motores y convertidores de potencia.
• Aeroespacial y automotriz: Resiste vibraciones, ciclos térmicos y entornos corrosivos.

Se emplean dos métodos principales para metalizar sustratos de alúmina:

• Impresión de película gruesa: Utiliza pastas de plata (Ag), adecuadas para diseños multicapa y aplicaciones de alta temperatura.
• Cobre plateado directo (DPC): Electroplaca cobre (Cu) para una conductividad superior, preferido para circuitos de alta potencia y alta frecuencia.

Los acabados superficiales como ENIG (níquel sin electrodeposición oro por inmersión) o máscaras de soldadura a base de vidrio mejoran aún más la durabilidad, especialmente en entornos ricos en azufre.

Si bien las PCB de alúmina comparten similitudes con las placas FR4 tradicionales, los diseñadores deben tener en cuenta:

• Desajuste de expansión térmica: Asegurar materiales compatibles para los componentes adjuntos para evitar grietas.
• Limitaciones de capa: Los procesos estándar admiten hasta 4 capas, aunque las técnicas avanzadas pueden permitir más.
• Tamaño del panel: Los paneles de producción típicos alcanzan un máximo de 180 × 180 mm (7 × 7 pulgadas).

Aunque las PCB de alúmina son más caras que las FR4, superan a las alternativas de núcleo metálico (por ejemplo, IMS) en diseños integrados. Al eliminar la barrera térmica de las capas dieléctricas en las PCB de núcleo metálico, la alúmina logra una resistencia térmica general más baja a pesar de su modesta conductividad.

Para proyectos sensibles a los costos, minimizar el tamaño de la placa y aprovechar las oportunidades de integración (por ejemplo, componentes integrados) puede compensar los gastos de material.