Was ist eine Keramik-Leiterplatte?

Eine Keramik-Leiterplatte (Ceramic PCB), kurz für keramische gedruckte Schaltung, ist eine fortschrittliche Art von Leiterplatte. Sie bietet hervorragende Leistung und Zuverlässigkeit, insbesondere bei anspruchsvollen Hochleistungs-Elektronikanwendungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Leiterplatten aus organischen Materialien wie Glasfaser oder Epoxidharz verwendet die Keramik-Leiterplatte Keramikmaterialien, die einzigartige Eigenschaften und Funktionen mit sich bringen. Aufgrund ihrer Wärmeableitung, Stromtragfähigkeit, Isolationsfähigkeit und ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten wird sie häufig in Hochleistungs-Elektronikmodulen, der Luft- und Raumfahrt sowie der Militärelektronik eingesetzt. Bei der Herstellung wird Kupferfolie unter hohen Temperaturen mit dem Keramiksubstrat verbunden. Dadurch entsteht eine starke Haftung, die Kupferfolie löst sich nicht leicht ab, was eine hohe Zuverlässigkeit und Leistungsstabilität auch unter hohen Temperaturen und Feuchtigkeit gewährleistet.

Gängige Materialien für Keramik-Leiterplatten

Für die Herstellung von Keramik-Leiterplatten können viele Materialien verwendet werden. Bei der Materialauswahl muss der Designer auf zwei grundlegende Spezifikationen achten: die Wärmeleitfähigkeit der Leiterplatte und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE). Im Folgenden besprechen wir die gängigsten Materialien für Keramik-Leiterplatten.

1. Aluminiumoxid (Al2O3)

Aluminiumoxid ist das am häufigsten verwendete Substratmaterial für Keramiksubstrate, da es im Vergleich zu den meisten anderen Oxidkeramiken eine hohe Festigkeit und chemische Stabilität in Bezug auf mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften aufweist. Die Rohstoffquelle ist reichhaltig, was es für verschiedene technische Fertigungsverfahren und unterschiedliche Formen geeignet macht. Je nach prozentualem Anteil an Aluminiumoxid (Al2O3) wird es in 75er-, 96er- und 99,5er-Porzellan unterteilt. Die elektrischen Eigenschaften werden durch den unterschiedlichen Aluminiumoxidgehalt kaum beeinflusst, aber die mechanischen Eigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit variieren stark. Substrate mit geringerer Reinheit enthalten mehr Glasphase und weisen eine größere Oberflächenrauheit auf. Je höher die Reinheit des Substrats, desto glatter, dichter und geringer ist der dielektrische Verlust, aber desto höher ist auch der Preis.

2. BeO

Es hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als metallisches Aluminium und wird dort eingesetzt, wo eine hohe Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist. Die Temperatur fällt oberhalb von 300°C schnell ab, aber seine Entwicklung ist durch seine Toxizität begrenzt.

3. AlN

Aluminiumnitrid-Keramik ist eine Keramik mit Aluminiumnitrid-Pulver als Hauptkristallphase. Im Vergleich zu Aluminiumoxid-Keramiksubstraten hat sie einen höheren Isolationswiderstand und eine höhere Isolationsspannungsfestigkeit sowie eine niedrigere Dielektrizitätskonstante. Ihre Wärmeleitfähigkeit ist 7- bis 10-mal höher als die von Al2O3, und ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE) ist annähernd an den von Siliziumwafern angepasst, was für Hochleistungs-Halbleiterchips entscheidend ist. In Bezug auf den Produktionsprozess wird die Wärmeleitfähigkeit von AlN stark durch den verbleibenden Sauerstoffverunreinigungsgehalt beeinflusst. Die Reduzierung des Sauerstoffgehalts kann die Wärmeleitfähigkeit deutlich verbessern.

Beidseitige Keramik-Leiterplatte

Arten von Keramik-Leiterplatten

Es gibt verschiedene Arten und Spezifikationen von Keramik-Leiterplatten, jede Art ist für spezifische Anwendungen und Anforderungen konzipiert und wird entsprechend eingesetzt. Hier sind einige gängige Arten von Keramik-Leiterplatten:

1. Einseitige Keramik-Leiterplatte:Dies ist die grundlegende Keramik-Leiterplatte mit einer leitfähigen Schicht auf dem Keramiksubstrat. Sie wird typischerweise in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit erfordern, aber keine komplexen Schaltungen benötigen.
2. Mehrschichtige Leiterplatte (Multilayer PCB):Sie eignet sich für komplexe Schaltungsdesigns, hochdichte Verbindungen (HDI) und Anwendungen, die Signalintegrität erfordern.
3. Dickschicht-Leiterplatte:Bei der Dickschichttechnologie werden leitfähige und widerstandsbehaftete Bahnen auf der Keramik-Leiterplatte erzeugt. Dickschicht-Leiterplatten sind für ihre Langlebigkeit bekannt und funktionieren zuverlässig in Automobil-, Industrie- und anderen rauen Umgebungen.

Keramik-Leiterplatten können auch nach Herstellungsverfahren unterteilt werden:

1. Direct Plating Copper (DPC) Leiterplatte:Dies ist eine keramische Schaltungsverarbeitungstechnologie, die auf Basis der keramischen Dünnschichtverarbeitung entwickelt wurde. Aluminiumnitrid-/Aluminiumoxidkeramik wird als Schaltungssubstrat verwendet, eine Metallschicht wird durch Sputtern auf der Substratoberfläche aufgebracht, und die Schaltung wird durch Galvanisieren und Fotolithografie gebildet.
2. Laser Activation Metallization (LAM) Leiterplatte:Sie zeichnet sich durch hohe Präzision und gute Haftfestigkeit aus. Die leitfähige Schicht kann von 1 μm bis 1 mm kundenspezifisch angepasst werden. Die Verwendung von reinem Kupfer anstelle von Silberpaste löst Probleme bei der Durchkontaktierung und Haftfestigkeit und sorgt für eine insgesamt stabilere Leistung.
3. Direct Bond Copper (DBC) Leiterplatte:Bei der DBC-Methode wird vor oder während des Aufbringungsprozesses eine geeignete Menge Sauerstoff zwischen Kupfer und Keramik eingebracht. Diese Methode wird verwendet, wenn hohe Kupferdicken von 140 μm (4 oz) bis 350 μm (10 oz) erforderlich sind.
4. LTCC-Leiterplatte (Low Temperature Co-fired Ceramic):Die LTCC-Technologie verwendet die gleiche Methode wie bei Kondensatoren, um verschiedene keramische Bauelemente herzustellen. Sie werden in einem Sinterofen bei 850-900°C geformt. Um eine elektrische Verbindung zwischen den Schichten zu erreichen, müssen vor dem Drucken Löcher gestanzt und mit Silberpaste gefüllt werden.
5. HTCC-Leiterplatte (High Temperature Co-fired Ceramic):Während des Herstellungsprozesses wird kein Glasmaterial hinzugefügt. Der Unterschied zwischen HTCC und LTCC besteht darin, dass HTCC-Leiterplatten bei etwa 1600–1700 °C in einer Gasatmosphäre gebrannt werden. Aufgrund der hohen Mitbrenntemperatur verwenden HTCC-Leiterplatten Leiterbahnen aus hochschmelzenden Metallen wie Wolfram, Molybdän oder Mangan. Diese Leiterplatten können bei hohen Temperaturen ohne Schäden funktionieren, da sie für den Einsatz in rauen Umgebungen ausgelegt sind.

 

Vorteile von Keramik-Leiterplatten

Keramik-Leiterplatten bieten zahlreiche Vorteile, die sie zu einer guten Wahl für Anwendungen machen, die hohe Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz erfordern.

1. Hohe Wärmeleitfähigkeit:Keramikmaterialien wie Al2O3, AlN, SiC usw. haben eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Das bedeutet, dass Keramik-Leiterplatten Wärme effektiv ableiten können, Überhitzung vermeiden und sicherstellen, dass Hochleistungs-Elektronikgeräte normal und zuverlässig funktionieren.
2. Hervorragende elektrische Eigenschaften:Keramikmaterial hat geringe dielektrische Verluste und gute elektrische Eigenschaften, insbesondere bei hohen Frequenzen. Dies macht Keramik-Leiterplatten sehr geeignet für den Einsatz in HF-, Mikrowellen- und Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen und ähnlichen Anwendungen, da Signalintegrität und geringer Signalverlust sehr wichtig sind.
3. Mechanische Festigkeit und Haltbarkeit:Im Vergleich zu organischen Leiterplatten bieten Keramik-Leiterplatten eine bessere mechanische Festigkeit und Steifigkeit. Die Steifigkeit ermöglicht es, mechanische Belastungen, Vibrationen und Stöße standzuhalten und macht Keramik-Leiterplatten besser für anspruchsvolle Umgebungen geeignet.
4. Chemische Beständigkeit:Keramik ist sehr beständig gegen Chemikalien, Lösungen, Säuren und Laugen. Diese Beständigkeit macht Keramik-Leiterplatten ideal für Anwendungen in Branchen, in denen der Kontakt mit aggressiven Chemikalien üblich ist, wie z. B. in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie der Industriebranche.
5. Hohe Temperaturbeständigkeit:Im Vergleich zu herkömmlichen organischen Leiterplatten können Keramik-Leiterplatten höheren Temperaturen standhalten, was für die Automobil- und Luftfahrtindustrie sehr wichtig ist, da elektronische Produkte bei hohen Temperaturen zuverlässig funktionieren müssen.
6. Kleinere Baugröße:Keramik-Leiterplatten ermöglichen feine Leiterbahnen, kleinere Bauteile und hochdichte Verbindungen, sodass Designer kompakte Designs erstellen können. Diese Eigenschaft ist wichtig für Anwendungen, die eine kleinere Größe erfordern, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
7. Signalintegrität: Keramik-Leiterplatten können auf Basis ihrer geringen dielektrischen Verluste und ihrer hohen Dielektrizitätskonstante eine hervorragende Signalintegrität gewährleisten, insbesondere bei hohen Frequenzen. Dank dieser Eigenschaft eignen sich Keramik-Leiterplatten für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und Kommunikationssysteme.
8. Kompatibilität mit rauen Umgebungen:Da Keramik hitze- und chemikalienbeständig ist, funktioniert sie auch unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig, z. B. bei der Öl- und Gasexploration, in der Luft- und Raumfahrt sowie bei militärischen Anwendungen.
9. Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer:Die Kombination aus hoher thermischer Leistung, Robustheit und chemischer Beständigkeit trägt zur langfristigen Zuverlässigkeit von Keramik-Leiterplatten bei, reduziert das Ausfallrisiko und verlängert die Lebensdauer elektronischer Geräte.
10. Kundenspezifische Anpassung möglich:Keramik-Leiterplatten können kundenspezifisch an spezifische Designanforderungen angepasst werden, einschließlich Basismaterial, Schichtkonfiguration, Layout und Position der Komponenten. Dies stellt sicher, dass Designer die Schaltung basierend auf der Anwendung optimieren können.
11. EMI/EMV-Leistung:Keramikmaterialien bieten aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften und Abschirmfähigkeiten inhärent eine bessere Leistung in Bezug auf elektromagnetische Störungen (EMI) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Keramik-Leiterplatte Seitenansicht

Nachteile von Keramik-Leiterplatten

Wie oben erwähnt, bieten Keramik-Leiterplatten viele Vorteile gegenüber anderen Leiterplatten, es gibt jedoch auch einige potenzielle Nachteile, die berücksichtigt werden müssen.

1. Sprödigkeit:Aufgrund der inhärenten Eigenschaften von Keramik ist sie während Handhabung, Montageprozess und Tests spröde. Daher müssen die technischen Mitarbeiter bei den genannten Prozessen besonders auf die Keramik-Leiterplatte achten.
2. Kostenüberlegungen:Keramik ist ein preiswertes Material. Unter Berücksichtigung aller Faktoren ist es jedoch immer noch deutlich teurer als herkömmliche Leiterplatten. Daher muss der Designer abwägen, ob die Herstellung einer Keramik-Leiterplatte die kostengünstigere Option ist.

Anwendungen von Keramik-Leiterplatten

• Hochleistungs-Elektronikmodule, Solarzellenkomponenten
• Hochfrequenz-Leistungsschalter, Festkörperrelais
• Automobilelektronik, Luft- und Raumfahrt sowie militärische Elektronikprodukte
• Hochleistungs-LED-Beleuchtungsprodukte
• Telekommunikationsantennen, Automobil-Zündgeräte

Keramik-Leiterplatten haben sich aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit, hohen Stabilität und exzellenten Leistung zur idealen Wahl für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen entwickelt. In den Bereichen 5G und neue Energien treiben sie die Elektroniktechnologie in Richtung höherer Effizienz und Zuverlässigkeit und sind ein Schlüsselmaterial für die zukünftige High-End-Elektronikfertigung.

Jerico PCB ist seit 2009, seit 16 Jahren, tief in der Fertigung von Keramik-Leiterplatten verwurzelt. Wir haben Hunderte von Projekten vom Konzept über den Prototyp bis zur Serienproduktion mit unserem zuverlässigen und leistungsstarken Fertigungsservice für Keramik-Leiterplatten in den Bereichen neue Energien und Telekommunikation unterstützt. Wir glauben, dass wir mit unserer Spezialisierung und der Unterstützung und dem Vertrauen unserer Kunden Tag für Tag professioneller werden. Sprechen Sie noch heute mit uns über Ihr Keramik-Leiterplatten-Projekt und erfahren Sie, wie wir Ihnen zum Erfolg verhelfen können.