Les panneaux traditionnels en fibre de verre FR-4 ont tendance à développer une forme en « arc » après le brasage par refusion. Il s'agit d'un résultat inévitable du déséquilibre entre la contrainte thermique et les propriétés physiques du matériau. Les PCB traditionnels souffrent de défauts de soudure des composants et de dysfonctionnements des équipements dus à la déformation. Un type de PCB utilisant la céramique comme substrat, avec sa stabilité physique presque-parfaite, devient le choix de base pour les appareils électroniques à haute-puissance ou haute fiabilité.
Pourquoi les substrats céramiques ne se déforment-ils pas ?
La cause fondamentale de la déformation des PCB réside dans l’inadéquation entre les coefficients de dilatation thermique des matériaux et la libération des contraintes internes. Les substrats FR-4 ordinaires sont formés en liant un tissu en fibre de verre et une résine époxy. La résine se ramollit lorsqu'elle est chauffée et rétrécit lorsqu'elle est refroidie. Une feuille de cuivre asymétrique des deux côtés aggrave encore la déformation.
Les substrats céramiques possèdent des caractéristiques totalement différentes. Ils utilisent comme base des feuilles vertes en céramique frittées à haute température-, présentant un module d'élasticité très élevé et un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible. Lors de la fabrication, la feuille de cuivre est fixée à la surface céramique via une technologie de pressage à chaud à haute température ou de placage de cuivre direct, permettant ainsi une liaison intermoléculaire plutôt qu'une simple liaison adhésive. Cela permet à la structure composite de maintenir une stabilité dimensionnelle même dans des conditions de température extrêmes.
Céramiques d'alumine : le roi du coût-Efficacité
L'alumine est actuellement le matériau de substrat céramique le plus utilisé, contenant entre 75 % et 99,5 % d'alumine. Une pureté élevée de 99,5 % donne une surface lisse et dense avec une perte diélectrique extrêmement faible, ce qui la rend adaptée aux circuits à haute fréquence-.
La conductivité thermique de l'alumine est d'environ 24 à 28 W/(m·K), nettement supérieure aux 0,3 W/(m·K) du FR-4. Cependant, il reste insuffisant dans les applications à très haute puissance. Il possède des matières premières abondantes, une résistance mécanique élevée et une excellente stabilité chimique, ce qui en fait un excellent exemple de produit qui équilibre performance et coût, occupant ainsi une position dominante dans les domaines de la microélectronique et des modules de puissance.
La conductivité thermique élevée du nitrure d'aluminium est bien-adaptée aux plaquettes de silicium. L'émergence des céramiques de nitrure d'aluminium a résolu le problème de conductivité thermique insuffisante dans l'alumine, atteignant une conductivité thermique supérieure à 170 W/(m·K), sept fois supérieure à celle de l'alumine et dépassant même celle de l'aluminium métallique.
Plus important encore, le coefficient de dilatation thermique du nitrure d'aluminium est extrêmement proche de celui des plaquettes de silicium semi-conductrices. Lorsque des puces haute-puissance sont directement montées sur le substrat, le coefficient de dilatation similaire évite efficacement les contraintes de cisaillement provoquées par les cycles thermiques, empêchant ainsi la fissuration des puces ou la fatigue des joints de soudure. Son processus de fabrication présente des exigences extrêmement élevées en matière de contrôle de la teneur en oxygène ; plus les impuretés d’oxygène sont faibles, plus la conductivité thermique est forte.
Conductivité thermique élevée et limites de toxicité de l'oxyde de béryllium
Les céramiques d'oxyde de béryllium présentent une conductivité thermique exceptionnelle, dépassant même celle du nitrure d'aluminium, atteignant plus de 250 W/(m·K) à température ambiante. C'était autrefois le matériau préféré dans les domaines où les exigences en matière de dissipation thermique étaient extrêmement strictes.
Cependant, la poudre d'oxyde de béryllium est toxique. Si la poussière générée pendant la production et la transformation est inhalée, elle peut provoquer de graves maladies pulmonaires. De même, si la poussière générée lors de l’élimination est inhalée, elle peut également provoquer de graves maladies pulmonaires. Cette faille fatale limite fortement son développement. Actuellement, il n’est utilisé que dans un très petit nombre de domaines militaires spécialisés dotés de mesures de protection complètes, ainsi que dans un très petit nombre de domaines aérospatiaux spécialisés dotés de mesures de protection complètes. Le marché civil a été largement remplacé par le nitrure d'aluminium.
Les principaux avantages des PCB en céramique
L'avantage le plus évident des substrats céramiques est leur forte capacité de transport de courant-. Les données expérimentales montrent que lorsqu'un courant de 100 A circule en continu à travers un substrat de cuivre de 1 mm d'épaisseur et de 0,3 mm d'épaisseur, l'augmentation de température n'est que d'environ 17 degrés. Si l'épaisseur du cuivre est augmentée à 2 mm, l'augmentation de la température peut être contrôlée à 5 degrés près.
De plus, il possède d’excellentes propriétés d’isolation capables de résister aux hautes tensions. Cette propriété assure la sécurité des équipements et du personnel. Comme il ne nécessite pas d'adhésifs organiques, ses performances sont extrêmement stables dans des environnements à haute -température et -humidité élevée. De plus, l'adhérence de la feuille de cuivre est très forte et ne se détachera pas en raison de changements drastiques de température, ce qui rend sa fiabilité bien supérieure à celle des PCB ordinaires.
Options de fabrication pour les PCB en céramique
Même si les substrats céramiques présentent des performances supérieures, leur nature fragile limite leur utilisation dans la fabrication de cartes de grande surface-et leur prix est bien supérieur à celui du FR-4. Un substrat en nitrure d'aluminium de 100 mm de côté peut coûter des dizaines de fois plus cher qu'un FR-4 de même taille.
Par conséquent, il est principalement utilisé dans des applications-haut de gamme telles que les LED haute-puissance, les systèmes d'allumage automobile, les alimentations à découpage haute-fréquence, l'aérospatiale et l'électronique militaire. Choisir un substrat céramique, c'est faire le choix d'une stabilité et d'une fiabilité ultimes. Dans le cadre de la R&D réelle ou de la production en petits lots-, la sélection d'un fabricant professionnel et fiable est extrêmement cruciale. JEP PCB est profondément impliqué dans l'industrie depuis de nombreuses années, possédant des capacités professionnelles de traitement des substrats céramiques. Du prototypage à la production de masse, il peut fournir une réponse rapide et un support de processus stable, garantissant ainsi que votre conception haute-performance peut être réalisée avec précision.
Alors, dans la conception de votre produit, privilégierez-vous le contrôle des coûts, ou choisirez-vous un substrat céramique en raison de son élévation de température de 5 degrés et de sa fiabilité et de sa stabilité inégalées ? N'hésitez pas à partager votre point de vue dans la section commentaires, à aimer et à partager cet article afin que davantage d'ingénieurs puissent voir cette -vulgarisation scientifique approfondie.