Los sustratos o láminas cerámicas se utilizan en diversas industrias debido a su alta conductividad térmica, alto aislamiento eléctrico, resistencia a la corrosión y al desgaste. Los sustratos son parte esencial de los últimos avances, ya que ofrecen soporte básico y son componentes cruciales de los circuitos eléctricos.
Continúe leyendo este blog hasta el final para saber más sobre los principales sustratos cerámicos, cómo reemplazan a los metales en los dispositivos electrónicos 3C, sus aplicaciones y sus ventajas.
Los tres sustratos cerámicos más comunes son el óxido de aluminio, el nitruro de aluminio y el óxido de berilio.
1 Sustrato cerámico de óxido de aluminio (Al2O3)Es uno de los sustratos cerámicos más populares. La superficie del óxido de aluminio es lisa y presenta baja porosidad. Se utiliza en la industria, las energías renovables y la electrificación de vehículos. Se utiliza para la fabricación de implantes biomédicos, tubos de hornos de alta temperatura y convertidores catalíticos.
2 Sustrato cerámico de nitruro de aluminio (AlN)Ofrece alta resistencia mecánica, resistencia a productos químicos, alta conductividad térmica, alta resistencia al desgaste y la corrosión, y un alto aislamiento eléctrico. Se utiliza principalmente en equipos de sinterización, elementos de construcción de hornos, tecnología médica y sensores electrónicos.
3 Sustrato cerámico de óxido de berilio (BeO)Este es el mejor conductor térmico y aislante eléctrico. Su aislamiento eléctrico es similar al de la alúmina. Se utiliza habitualmente en la fabricación de aislantes y sustratos electrónicos que requieren una disipación térmica eficaz para mantener el rendimiento y la estabilidad del dispositivo. Se utiliza en dispositivos de microondas, tubos de vacío, magnetrones y láseres de gas.
¿Por qué elegir sustratos cerámicos?
El sustrato cerámico posee excelentes propiedades que lo hacen apto para su uso en dispositivos electrónicos. Se ha demostrado que la cerámica es superior a los metales gracias a sus excelentes propiedades térmicas, mecánicas y químicas. A continuación, se mencionan algunas de sus principales propiedades:
1 Propiedades físicas: Sus propiedades físicas son óptimas para dispositivos portátiles, ya que requieren un material ligero para su fabricación. El material del sustrato reduce el peso neto del dispositivo.
2 Propiedades químicas: El sustrato orgánico soporta altas temperaturas y es resistente a la corrosión y la oxidación. Además, es ideal para dispositivos eléctricos gracias a sus propiedades aislantes.
3 Propiedades mecánicas: El material cerámico ofrece una alta resistencia al desgaste que permite un rendimiento duradero, como se mencionó anteriormente. Esto lo hace ideal para computación de alto rendimiento y equipos de comunicación 5G.
Los sustratos metálicos siempre se han utilizado en la electrónica 3C debido a su conductividad y tenacidad. Sin embargo, a medida que avanza la tecnología, surgen problemas como la disipación ineficaz del calor, el riesgo de corrosión y el peso de los sustratos metálicos. Estas deficiencias afectan el funcionamiento y la durabilidad de los equipos electrónicos modernos.
Por lo tanto, para superar estos desafíos ahora se utilizan cerámicas y se ha demostrado que son eficaces en la electrónica 3C.
Aplicaciones de sustratos cerámicos en electrónica 3C
Los sustratos cerámicos tienen numerosas aplicaciones. Algunas de ellas son las siguientes:
1 Electrónica de consumo: Los sustratos cerámicos se utilizan ampliamente en electrónica de consumo. Se emplean en smartphones para reducir el grosor del dispositivo y mejorar la gestión del calor. Ofrecen durabilidad y ligereza, lo que los hace ideales para dispositivos wearables.
Dispositivos informáticos: La función principal de los sustratos cerámicos es disipar el calor para un rendimiento continuo. Las computadoras portátiles y tabletas requieren durabilidad y portabilidad, características que la cerámica ofrece.
3 Dispositivos de comunicación: Los sustratos cerámicos se han convertido en un componente esencial de los módulos de estaciones base, antenas y amplificadores de potencia. Esto se debe principalmente al avance de la red 5G.
Ventajas de los sustratos cerámicos
Los sustratos cerámicos ofrecen numerosas ventajas. Algunas de ellas se enumeran a continuación:
1 Sostenible: Los sustratos cerámicos mejoran la portabilidad gracias a su ligereza, lo que reduce aún más el peso del dispositivo. La cerámica es más ecológica que los metales. Además, promueve técnicas de producción ecológicas.
Adaptabilidad ambiental: La cerámica es conocida por su tolerancia a entornos hostiles, como altas temperaturas, alta humedad y condiciones corrosivas. Los dispositivos electrónicos duran más gracias a su flexibilidad. Además, requiere menos mantenimiento y reparaciones.
3 Mejoras de rendimiento: La cerámica contribuye a mejorar el rendimiento general. Disipa el calor eficientemente y reduce el riesgo de sobrecalentamiento. Esto la hace ideal para aplicaciones de comunicación de alta frecuencia que ofrecen un rendimiento constante y fiable.
Usos de la cerámica en circuitos integrados y semiconductores
Empaquetado de CI (circuitos integrados)
Los circuitos integrados (CI) están compuestos por chips de silicio interconectados. Los encapsulados cerámicos se utilizan para proporcionar aislamiento eléctrico y hermeticidad en los circuitos integrados.
Semiconductor
El principal material cerámico en el sector de los semiconductores es la sílice fundida. Esta se utiliza en crisoles para lingotes de silicio, reactores para la deposición epitaxial de silicio, soportes para obleas, herramientas de procesamiento de obleas individuales y tanques de grabado húmedo.
La alúmina también se utiliza en equipos de procesamiento de obleas semiconductoras. Esto se debe a sus propiedades de aislamiento eléctrico y térmico. Proporciona una constante dieléctrica y pérdidas bajas, una alta conductividad térmica y la estabilidad química necesarias para el rendimiento y la fiabilidad de los sustratos de circuitos integrados (CI) y la fabricación de materiales semiconductores cerámicos.
PCB de cerámica
La cerámica es un excelente aislante que impide el flujo de corriente eléctrica. Se utiliza ampliamente en electrónica de alta frecuencia, iluminación LED y electrónica de potencia. Esto se debe, generalmente, a que disipa el calor para mejorar el rendimiento y la longevidad. También se utiliza como material de sustrato en placas de circuito impreso (PCB). Las PCB cerámicas se utilizan principalmente en aplicaciones que requieren un CTE (coeficiente de expansión térmica) bajo y en circuitos que requieren alta conductividad térmica.
Las placas de circuito impreso de cerámica también se utilizan en electrónica de potencia para gestionar altas temperaturas y proporcionar la estabilidad térmica necesaria para una disipación adecuada del calor. Las placas de circuito impreso de cerámica son flexibles y duraderas, por lo que pueden personalizarse para crear diseños mecánicos y eléctricos complejos.
FR-4 (Retardante de Llama-4) es ampliamente reconocido como un material estándar para la producción de PCB. Es un laminado de resina epoxi reforzado con vidrio que se utiliza como material cerámico para PCB. El CTE normal de FR-4 es de 14 a 17 ppm/°C.
Debe saber cómo medir las tuberías. Esto le ayudará a elegir las que necesita y a cumplir con sus requisitos. Existen varias maneras de medir las tuberías. Algunas de ellas se enumeran a continuación:
1 Diámetro exterior (DE): Puede medir el diámetro exterior de las tuberías. Simplemente mida desde un extremo de la tubería hasta el otro extremo. La distancia entre ambos puntos le dará el diámetro exterior. El diámetro exterior también incluye el espesor de la tubería.
2 Diámetro interior (DI): Debe medir el diámetro interior de las tuberías. Esto le proporciona el volumen de la tubería y le indica con precisión la cantidad de sustancia que puede contener. Para ello, mida el contorno interior de un extremo de la tubería con el contorno opuesto. La distancia entre ambos puntos será el diámetro interior. El diámetro interior no incluye el espesor de la tubería.
3 Tamaño nominal de la tubería (NPS): El NPS indica el tamaño general de la tubería. Se puede calcular sumando el diámetro interior con la mitad del espesor de la tubería. Esto dará como resultado el tamaño nominal de la tubería. Por ejemplo, si el NPS de una tubería es 4, el diámetro exterior será de 4,5 pulgadas y no de 4 pulgadas.
Dimensiones de OD, ID y NPS
Es importante comprender las dimensiones del diámetro exterior, el diámetro interior y el tamaño nominal de la tubería para medirla con precisión. Las dimensiones son las siguientes:
Diámetro exterior (DE): Si desea medir el diámetro exterior de una tubería de 1 pulgada, le sorprenderá saber que mediría 1,342 pulgadas y no 1 pulgada. Esto se debe a la obvia razón de que también incluye el espesor del material.
Diámetro interno (DI): El diámetro interno será menor que el diámetro exterior, ya que no incluye el espesor de la tubería. Por ejemplo, si una tubería Schedule 40 de 2 pulgadas tiene un diámetro exterior de 2,375 pulgadas, su diámetro interno sería de 2,067 pulgadas.
Generalmente, al elegir tuberías de PVC, se considera el diámetro interior, ya que este proporciona el tamaño correcto que se necesita. Considerar el diámetro exterior puede resultar en una tubería de PVC de mayor tamaño del requerido.
Tamaño nominal de la tubería (NPS): El valor de NPS suele ser menor que el diámetro exterior. Si el tamaño nominal de la tubería es de 2 pulgadas, el diámetro exterior será de 2,375 pulgadas. Se trata de un conjunto estándar de tamaños de tubería fabricados en Norteamérica.
Espesor de las paredes de las tuberías
Las paredes de las tuberías vienen en varios espesores, conocidos como cédulas. El espesor más común es el 40. Se puede usar cédula 80 para tuberías de mayor espesor y resistencia. Esto demuestra que unas paredes más gruesas hacen que la tubería sea más resistente y duradera.
Conclusión
Tras leer este blog, seguramente habrá adquirido suficientes conocimientos sobre los tres sustratos cerámicos que han sustituido a los metales en los dispositivos electrónicos 3C. Ofrecen diversas ventajas, como sostenibilidad, adaptabilidad ambiental y mejoras de rendimiento. Los sustratos cerámicos también se utilizan en circuitos integrados y semiconductores.