Você já teve curiosidade sobre como eletrônicos de alta potência funcionam sem esforço e mantêm a temperatura ambiente? O mistério pode estar nos substratos cerâmicos. Esses materiais comuns oferecem gerenciamento térmico, isolamento elétrico e robustez excepcionais, o que os torna indispensáveis em tudo, desde eletrônicos de potência até iluminação LED. Entenda como as cerâmicas estão acelerando e melhorando o desempenho e a vida útil dos dispositivos e como estão alterando a tecnologia usada em itens do dia a dia.
⇒ Lista de verificação
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O que é um substrato cerâmico?
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Materiais utilizados no substrato cerâmico?
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Aplicações de substratos cerâmicos?
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Vantagens dos substratos cerâmicos?
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Limitação dos substratos cerâmicos?
1) O que é um substrato cerâmico?
“Um substrato cerâmico é exatamente o que você precisa ao trabalhar com eletrônicos que geram muito calor: eles fornecem resistência ao calor e isolamento.”
A primeira coisa a observar é que os substratos cerâmicos funcionam como uma boa base para dispositivos eletrônicos devido à sua capacidade de resistir ao calor. À medida que os componentes eletrônicos esquentam, o substrato cerâmico transfere e aproveita bem o calor, devido à sua boa condutividade térmica (alguns chegam a 200 W/mK). Isso garante que seus componentes não superaqueçam e funcionem bem.
Eles também oferecem excelente isolamento, evitando que a corrente elétrica flua pela base e cause um curto-circuito. Podem ser um pouco caros, mas considerando sua resistência e confiabilidade, são necessários quando os materiais padrão são insuficientes, para manter o resfriamento, a estabilização e a proteção de todos os componentes eletrônicos.
⇒ Visão geral da história
Substratos cerâmicos começaram a ser usados por volta de meados do século XX, com a contribuição significativa do metalúrgico Paul B. de Niverville, que na década de 1950 iniciou o uso de substrato de alumina (Al₂O₃) em aplicações elétricas.
Durante as décadas de 1960 e 1970, a expansão ocorreu quando Alfred L. Hazen e outros pesquisadores aumentaram o uso de cerâmica em eletrônica de potência, o que aprimorou o uso de materiais como a alumina para obter propriedades térmicas e de isolamento.
Na década de 1980, James E. Mayer et al. modificaram significativamente substratos cerâmicos de nitreto de aluminio (AlN) devido à sua boa condutividade térmica. Na década de 90, as cerâmicas passaram a ser utilizadas em indústrias como a automotiva, médica e de telecomunicações. Atualmente, são essenciais em eletrônica de potência, iluminação LED e microeletrônica devido aos avanços nas características dos materiais e nas técnicas de fabricação.
2) Materiais utilizados no substrato cerâmico?
Em substratos cerâmicos, são utilizados basicamente 4 tipos de materiais;
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Alumina (Al₂O₃)
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Nitreto de alumínio (AlN)
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Óxido de Berílio (BeO)
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Nitreto de silício (Si₃N₄)
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Alumina (Al₂O₃) |
Nitreto de alumínio (AlN) |
Óxido de Berílio (BeO) |
Nitreto de silício (Si₃N₄) |
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Condutividade térmica |
20–30 W/mK |
170–200 W/mK |
200–300 W/mK |
30–150 W/mK |
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Resistividade elétrica |
~10¹² ohm·cm |
~10¹⁴ ohm·cm |
~10¹⁶ ohm·cm |
~10¹⁶ ohm·cm |
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Resistência à temperatura |
Até 1.600°C |
Até 1.800°C |
Até 2.000°C |
Até 1.400°C |
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Resistência mecânica |
Alto (350–400 MPa) |
Alto (200–300 MPa) |
Muito alto (600–700 MPa) |
Muito alto (900–1.000 MPa) |
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Rigidez Dielétrica |
~15–20 kV/mm |
~10–12 kV/mm |
~18–20 kV/mm |
~15–18 kV/mm |
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Custo |
Baixo |
Moderado |
Alto |
Moderado |
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Resistência à fratura |
Moderado (4–5 MPa·m¹/²) |
Moderado (3–4 MPa·m¹/²) |
Baixo (1–2 MPa·m¹/²) |
Alto (6–7 MPa·m¹/²) |
3) Aplicações de substratos cerâmicos?
- Eletrônica Industrial: Devido ao seu isolamento térmico e tenacidade, substratos cerâmicos são amplamente encontrados em dispositivos industriais de alta potência, como controladores de motores e máquinas de solda.
- Energia renovável: Em conversores de energia e unidades de controle em painéis solares e turbinas eólicas, substratos cerâmicos são incorporados para gerenciamento térmico eficaz dentro do aparelho de conversão de energia.
- Dispositivos de alta frequência: Para circuitos de RF articulados, antenas e sistemas de comunicação de micro-ondas, substratos cerâmicos são materiais adequados devido à sua baixa perda e estabilidade para limites de alta frequência.
- Veículos elétricos (VEs): Em baterias de veículos elétricos e estações de carregamento de VE, substratos de PCB de cerâmica auxiliam na dissipação de calor e fornecem isolamento elétrico para transferência de energia eficaz e segurança.
- Eletrônicos de consumo: Substratos cerâmicos reforçam capacitores e indutores empregados em smartphones, laptops e televisores para melhor desempenho e controle térmico.
- Defesa e Militar: Placas de circuito cerâmico são montadas em sistemas modernos de radar, comunicação e mísseis que são implantados quando desempenho, durabilidade e estabilidade térmica são necessidades essenciais.
- Trocadores de calor: Substratos cerâmicos também são empregados em trocadores de calor para aplicações industriais devido à sua resiliência estrutural em ambientes abrasivos de alta temperatura e corrosão.
- Tecnologia de Iluminação: Além dos LEDs, substratos de PCB de cerâmica são incorporados em sistemas de iluminação, como lâmpadas halógenas e outros dispositivos de iluminação, com o objetivo de dissipação de calor eficaz.
4) Vantagens dos substratos cerâmicos?
+ Design compacto: Facilita layouts que economizam espaço por meio do uso de circuitos eletrônicos em densidades mais altas.
+ Isolamento elétrico: O uso elétrico é seguro com uma resistividade dentro da faixa de 10^12 a 10^16 Ohm cm.
+ Durabilidade: Esses materiais apresentam resistência mecânica entre 350-400 MPa e conferem imunidade anatômica ao desgaste e aos agentes corrosivos.
+ Alta condutividade térmica: Atinge valores de condutividade térmica de cerca de 200 W/mK, exibindo potencial para transferência de calor substancial.
+ Resistência a altas temperaturas: Fácil de usar em áreas de muito calor, pois o limite superior pode ser de 2.000 graus Celsius.
+ Baixa expansão térmica: Para suportar a variação de temperatura, eles têm um valor pequeno do coeficiente de expansão térmica, o que os impede de rachar.
+ Ambientalmente sustentável: A maioria dos materiais cerâmicos usados em eletrônicos tem baixa toxicidade e são mais ecológicos do que outros materiais.
+ Confiabilidade ao longo do tempo: Substratos cerâmicos apresentam comportamento consistente mesmo em condições extremas, como diferenças de temperatura. Consequentemente, a vida útil dos dispositivos eletrônicos aumenta.
+ Resistência química: Graças à ausência de materiais orgânicos, os substratos cerâmicos têm um alto grau de resistência à corrosão química e a fatores ambientais, o que aumenta a confiabilidade em condições adversas.
5) Limitações dos substratos cerâmicos?
- Fragilidade: Apesar de possuírem baixa condutividade térmica, substratos cerâmicos frágeis podem quebrar facilmente sob a ação de forças aplicadas. Sua tenacidade à fratura pode ser estimada em torno de 4-5 MPa·m¹/², valor muito menor do que o dos metais.
– Alto custo: Substratos cerâmicos geralmente têm um custo unitário mais alto do que outras opções/substratos, até 3 a 4 vezes o preço de outros materiais.
– Complexidade de processamento: Os desafios associados à produção de substratos cerâmicos incluem a exigência de altas temperaturas de processamento de células na faixa de cerca de 1500–1600 °C.
– Falta de flexibilidade: Cerâmicas são duras e não funcionam em casos que exigem que sejam dobradas ou flexionadas.
– Lidando com Riscos: Devido à toxicidade, algumas cerâmicas são consideradas perigosas e só podem ser manuseadas com precaução.
– Peso: Sua alta densidade de cerca de 3,95 g/cm³ é uma desvantagem ao realizar projetos de baixo peso, pois são pesados.
– Baixa resistência ao choque térmico: Se houver uma mudança repentina de temperatura devido à baixa durabilidade do choque térmico, podem ocorrer rachaduras ou fraturas.
– Custos de produção e o tempo aumentam muito porque a cerâmica é muito difícil de usinar e requer ferramentas especializadas para isso.
Conclusão
Em resumo, os substratos cerâmicos são essenciais para melhorar o desempenho, a longevidade e a eficiência dos dispositivos eletrônicos que você utiliza. Sua excelente estabilidade térmica e isolamento elétrico, bem como sua capacidade de operar em ambientes extremos, os tornam inestimáveis nas indústrias de eletrônica de potência, LEDs e semicondutores.
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