Was ist eine Keramik-Leiterplatte?

Eine Keramik-Leiterplatte (Ceramic Printed Circuit Board) ist eine Art fortschrittliche Leiterplatte. Sie bietet exzellente Leistung und Zuverlässigkeit, insbesondere bei Hochleistungsanwendungen mit strengen Anforderungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Leiterplatten aus organischen Materialien wie Glasfaser oder Epoxidharz verwendet eine Keramik-Leiterplatte Keramikmaterialien, die einzigartige Leistungen und Funktionen bieten. Aufgrund ihrer Wärmeableitungsleistung, Stromtragfähigkeit, Isolierung und ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten wird die Keramik-Leiterplatte häufig in Hochleistungs-Elektronikmodulen, der Luft- und Raumfahrt sowie der Militärelektronik eingesetzt. Bei Keramik-Leiterplatten wird Kupferfolie unter hoher Temperatur mit dem Keramiksubstrat verbunden. In diesem Fall weist die Keramik-Leiterplatte eine starke Haftkraft auf, die Kupferfolie löst sich nicht leicht ab, was eine hohe Zuverlässigkeit und hohe Leistungsstabilität unter Umgebungen mit hoher Temperatur und Feuchtigkeit gewährleistet.

Gängige Materialien für Keramik-Leiterplatten

Für die Herstellung von Keramik-Leiterplatten können viele Materialien verwendet werden. Bei der Auswahl des Materials für eine Keramik-Leiterplatte müssen die Designer auf zwei grundlegende Spezifikationen achten: die thermische Leitfähigkeit der Leiterplatte und den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE). Im Folgenden werden die gängigsten Materialien für Keramik-Leiterplatten besprochen.

1. Aluminiumoxid (Al2O3)

Aluminiumoxid ist das am häufigsten verwendete Substratmaterial in Keramiksubstraten, da es im Vergleich zu den meisten anderen Oxidkeramiken hohe Festigkeit und chemische Stabilität in Bezug auf mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften aufweist und die Rohstoffquelle reichlich vorhanden ist. Es eignet sich für verschiedene technische Fertigungsverfahren und unterschiedliche Formen. Je nach Prozentsatz an Aluminiumoxid (Al2O3) kann es in 75er Porzellan, 96er Porzellan und 99,5er Porzellan unterteilt werden. Die elektrischen Eigenschaften werden von unterschiedlichen Aluminiumoxid-Anteilen kaum beeinflusst, aber die mechanischen Eigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit variieren stark. In Substraten mit geringer Reinheit gibt es mehr Glasphasen, und die Oberflächenrauheit ist groß. Je höher die Reinheit des Substrats, desto glatter, dichter und geringer ist der dielektrische Verlust, aber desto höher ist der Preis.

2. BeO

Es hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als metallisches Aluminium und wird in Situationen eingesetzt, in denen eine hohe Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist. Der Temperaturabfall erfolgt nach Überschreitung von 300 °C schnell, aber seine Entwicklung ist durch seine Toxizität begrenzt.

3. AlN

Aluminiumnitridkeramiken sind Keramiken mit Aluminiumnitridpulver als Hauptkristallphase. Im Vergleich zu Aluminiumoxid-Keramiksubstraten weisen sie einen höheren Isolationswiderstand und eine höhere Durchschlagsfestigkeit sowie eine geringere dielektrische Konstante auf. Ihre Wärmeleitfähigkeit ist 7- bis 10-mal höher als die von Al2O3, und ihr Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) stimmt ungefähr mit dem von Siliziumwafern überein, was für Hochleistungs-Halbleiterchips entscheidend ist. Im Produktionsprozess wird die Wärmeleitfähigkeit von AlN stark durch den Gehalt an Rest-Sauerstoffverunreinigungen beeinflusst. Eine Reduzierung des Sauerstoffgehalts kann die Wärmeleitfähigkeit erheblich verbessern.

Keramik-Leiterplatte zweiseitig

Arten von Keramik-Leiterplatten

Es gibt verschiedene Arten und Spezifikationen von Keramik-Leiterplatten, jede Art ist so konzipiert und wird verwendet, um spezifische Anwendungen und Anforderungen zu erfüllen. Hier sind einige gängige Arten von Keramik-Leiterplatten:

1. Einseitige Keramik-Leiterplatte:Dies ist die Basiskernplatine aus Keramik, und es gibt eine leitfähige Schicht auf dem Keramiksubstrat. Sie wird normalerweise in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit erfordern, aber keine komplexen Schaltungen benötigen.
2. Mehrlagenleiterplatte:Sie eignet sich für komplexe Schaltungsdesigns, High-Density Interconnects und Anwendungen, die Signalintegrität erfordern.
3. Dickschichtleiterplatte:Die Dickschichttechnologie wird verwendet, um leitfähige und Widerstandsspuren auf Keramik-Leiterplatten zu erstellen. Dickschichtleiterplatten sind bekannt für ihre Haltbarkeit und können gut in Automobil- und Industrieumgebungen sowie in anderen Anwendungen unter rauen Bedingungen eingesetzt werden.

Keramik-Leiterplatten können auch nach den Herstellungsprozessen in verschiedene Typen unterteilt werden:

1. Direct Plating Copper (DPC) Leiterplatte:Dies ist eine Keramikschaltkreis-Verarbeitungstechnologie, die auf der Keramik-Dünnschichtverarbeitung basiert. Aluminiumnitrid-/Aluminiumoxidkeramiken werden als Schaltungssubstrat verwendet, eine Metallschicht wird durch Sputtern auf die Substratoberfläche aufgebracht, und die Schaltung wird durch Galvanisieren und Fotolithografie gebildet.
2. Laser Activation Metallization (LAM) Leiterplatte:Sie bietet hohe Präzision und gute Haftfestigkeit. Die leitfähige Schicht kann von 1 μm bis 1 mm angepasst werden, und die Verwendung von reinem Kupfer anstelle von Silberpaste löst das Problem der Leitfähigkeit von Löchern und der Haftfestigkeit, und die Gesamtleistung ist stabiler.
3. Direct Bond Copper (DBC) Leiterplatte:Mit der DBC-Methode wird vor oder während des Abscheideprozesses eine entsprechende Menge Sauerstoff zwischen Kupfer und Keramik eingebracht. Diese Methode wird angewendet, wenn hohe Kupferstärken von 140 µm (4 oz) – 350 µm (10 oz) erforderlich sind.
4. Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) Leiterplatte:Die LTCC-Technologie verwendet die gleiche Methode wie Kondensatoren, um verschiedene Keramikbauteile herzustellen. Sie werden bei 850–900 °C in einem Sinterofen gebrannt, um sie zu formen. Um elektrische Verbindungen zwischen den Lagen zu erreichen, müssen vor dem Drucken Löcher gebohrt und mit Silberpaste gefüllt werden.
5. High Temperature Co-fired Ceramic (HTCC) Leiterplatte: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 gasförmigen Atmosphäre gebrannt werden. HTCC-Leiterplatten haben eine so hohe Co-Firing-Temperatur, dass sie Schaltspuren aus hochschmelzenden Metallen wie Wolfram, Molybdän oder Mangan verwenden. Bei hohen Temperaturen können diese Leiterplatten ohne Beschädigung ordnungsgemäß funktionieren, da sie selbst für den Betrieb in rauen Umgebungen ausgelegt sind.

 

Vorteile von Keramik-Leiterplatten

Keramik-Leiterplatten bieten verschiedene 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. weisen eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf. Das bedeutet, dass Keramik-Leiterplatten Wärme effektiv ableiten können, um Überhitzung zu vermeiden und sicherzustellen, dass Hochleistungs-Elektronikgeräte normal und zuverlässig arbeiten.
2. Exzellente elektronische Eigenschaften:Keramikmaterial hat einen geringen dielektrischen Verlust und gute elektrische Eigenschaften, insbesondere unter hohen Frequenzen. Dies macht Keramik-Leiterplatten sehr geeignet für den Einsatz in Hochfrequenz-, Mikrowellen- und schnellen digitalen Schaltungen und ähnlichen Anwendungen, da die Signalintegrität und geringe Signalverluste sehr wichtig sind.
3. Mechanische Festigkeit und Haltbarkeit:Im Vergleich zu organischen Leiterplatten weisen Keramik-Leiterplatten eine bessere mechanische Festigkeit und Steifigkeit auf. Die Steifigkeit ermöglicht es Keramik-Leiterplatten, mechanischen Belastungen, Erschütterungen und Stößen standzuhalten, und stellt sicher, dass Keramik-Leiterplatten für anspruchsvolle Umgebungen besser geeignet sind.
4. Chemische Beständigkeit:Keramik ist stark beständig gegen Chemikalien, Lösungen, Säuren und Laugen. Diese Beständigkeit macht Keramik-Leiterplatten ideal für Anwendungen in Branchen, in denen eine häufige Exposition gegenüber aggressiven Chemikalien auftritt, wie z. B. in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und 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 die Elektronikprodukte auch bei hohen Temperaturen zuverlässig funktionieren müssen.
6. Kleinere Größe:Keramik-Leiterplatten ermöglichen feine Schaltkreise, kleinere Komponenten und High-Density Interconnects, sodass Designer kompakte Designs erstellen können. Dieses Merkmal ist wichtig für Anwendungen, die eine kleinere Größe ohne Leistungseinbußen erfordern.
7. Signalintegrität: Keramik-Leiterplatten können aufgrund ihres geringen dielektrischen Verlusts und ihrer hohen dielektrischen Konstante eine ausgezeichnete Signalintegrität gewährleisten, insbesondere unter hohen Frequenzen. Mit diesem Merkmal eignen sich Keramik-Leiterplatten für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungs- und Kommunikationssysteme.
8. Kompatibilität mit rauen Umgebungen:Da Keramik hitze- und chemikalienbeständig ist, kann sie auch in rauen Umgebungen gut funktionieren, z. B. bei der Öl- und Gasförderung, in der Luft- und Raumfahrt und 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. Individuell erhältlich:Keramik-Leiterplatten können an spezifische Designanforderungen angepasst werden, einschließlich Basismaterial, Schichtkonfiguration, Layout und Komponentenplatzierung, um sicherzustellen, dass Designer die Schaltung basierend auf der Anwendung optimieren können.
11. EMI/EMC-Leistung:Keramische Materialien bieten aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften und Abschirmfähigkeiten von Natur aus eine bessere Leistung bei elektromagnetischen Störungen (EMI) und elektromagnetischer Verträglichkeit (EMC).

Keramik-Leiterplatte Seitenansicht

Nachteile von Keramik-Leiterplatten

Wie bereits erwähnt, haben Keramik-Leiterplatten viele Vorteile gegenüber anderen Leiterplatten, aber es gibt immer noch einige potenzielle Nachteile zu berücksichtigen.

1. Zerbrechlich:Aufgrund der ursprünglichen Eigenschaften von Keramik ist sie während der Handhabung, des Montageprozesses und der Prüfung zerbrechlich. Daher müssen die Ingenieure bei den genannten Prozessen mehr Aufmerksamkeit auf die Keramik-Leiterplatte richten.
2. Kostenüberlegung:Keramik ist ein preislich angemessenes Material. Wenn jedoch alle Faktoren berücksichtigt werden, ist es immer noch deutlich teurer als herkömmliche Leiterplatten. Daher muss der Designer prüfen, ob es sich um eine kostengünstigere Option handelt, das Design als Keramik-Leiterplatte zu realisieren.

Anwendung von Keramik-Leiterplatten

• Leistungsstarke elektronische Module, Komponenten für Solarbatterien
• Hochfrequenz-Leistungsschalter, Festkörperrelais
• Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und militärische Elektronikprodukte
• Leistungsstarke LED-Beleuchtungsprodukte
• Telekommunikationsantennen, Kfz-Feueranzünder

Keramik-Leiterplatten sind aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit, hohen Stabilität und exzellenten Leistung zu einer idealen Wahl für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen geworden. In den Bereichen 5G und neue Energie treiben sie die Elektroniktechnologie in eine effizientere und zuverlässigere Richtung und sind ein Schlüsselmaterial für die zukünftige High-End-Elektronikfertigung.

Jerico PCB ist seit 16 Jahren, seit 2009, tief in der Herstellung von Keramik-Leiterplatten tätig. Wir haben Hunderte von Projekten von der Konzeption über Prototypen bis zur Massenproduktion mit unserem zuverlässigen und leistungsstarken Service für Keramik-Leiterplatten in den Bereichen neue Energie und Telekommunikation unterstützt. Wir glauben, dass wir, wenn wir das tun, was wir gut können, jeden Tag professioneller werden, mit der Unterstützung und dem Vertrauen unserer Kunden. Lassen Sie uns noch heute über Ihr Keramik-Leiterplatten-Projekt sprechen und sehen, wie wir Ihnen zum Erfolg verhelfen können.