Was ist eine Keramik-Leiterplatte? | Ein vollständiger Leitfaden zu Keramik-Leiterplatten

Als Elektroniker sind Sie vielleicht besorgt über den neuen Hype um keramische Leiterplatten, die herkömmliche Leiterplatten übertreffen. Wenn Sie wissen möchten, was eine keramische Leiterplatte eigentlich ist, welche Anwendungen sie bietet und wie sie hergestellt wird, ist dieser Blog genau das Richtige für Sie. In diesem Blog erklären wir die Keramik-Leiterplatten im Detail und zeigen, was sie von herkömmlichen Leiterplatten unterscheidet und welche Sie für Ihre Schaltungsanforderungen benötigen.

Herkömmliche Leiterplatten weisen aufgrund ihres Substrats, das hauptsächlich aus Glasfaser und Epoxidharz besteht, eine sehr schlechte Wärmeableitung auf. Sie fangen die Wärme in den Schaltkreisen ein, was bei steigenden Temperaturen zu Fehlfunktionen führt. Daher sind sie für leistungsstarke elektrische Komponenten keine gute Wahl.

Die Elektronikindustrie benötigte eine bessere Leiterplatte, die Wärme besser ableitet als herkömmliche Leiterplatten. Diese Marktlücke wurde durch Keramik-Leiterplatten geschlossen, die außergewöhnliche Wärmeableitungseigenschaften mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und niedriger Dielektrizitätskonstante aufweisen. Lassen Sie uns einen kurzen Überblick über Keramik-Leiterplatten geben und sehen, wann Sie eine Keramik-Leiterplatte benötigen.

Eine Einführung in Keramik-Leiterplatten

In der modernen Elektronikindustrie wird von einer Leiterplatte erwartet, dass sie Wärme besser ableitet und den daran angeschlossenen elektrischen Komponenten starken mechanischen Halt bietet. Keramikleiterplatten bestehen, wie der Name schon sagt, im Wesentlichen aus Keramikkernen. Als Substratmaterialien werden üblicherweise Aluminiumoxid, Berylliumoxid und Magnesiumaluminat verwendet. Auch andere Keramikkerne werden zur Herstellung von Keramikleiterplatten verwendet, darunter Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Bornitrid und viele weitere. Die Auswahl des richtigen Keramikkerns hängt von den Anforderungen der Schaltung ab, da jedes Keramikleiterplattensubstrat seine eigenen, einzigartigen Eigenschaften besitzt, die optimal genutzt werden, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Einige Eigenschaften von Keramikkernen sind wie folgt:

1.   Gute Wärmeleitfähigkeit.

2.   Weniger Korrosion.

3.   Verbesserte mechanische Festigkeit.

4.   Dick-Dünnschichttechnologie.

5.   Umfangreiche Miniaturisierungstechniken.

6.   Leiterbahnverfolgung auf Keramikplatinen mit hoher Dichte.

7.   Mehrschichtige Integration.

Keramik-Leiterplatte vs. herkömmliche Leiterplatte

Es stellt sich nun die Frage, wann eine Keramikleiterplatte eingesetzt werden sollte. Keramikleiterplatten sind herkömmlichen Leiterplatten in jeder Hinsicht überlegen. Kosten- und Qualitätsfaktoren spielen jedoch immer eine zentrale Rolle bei der Entscheidung für den Leiterplattentyp. Herkömmliche Leiterplatten sind die ideale Alternative, wenn Sie nach kostengünstigeren Lösungen suchen. Keramikleiterplatten hingegen sind die beste Wahl für sensible Branchen ohne Gefahren, da sie Zuverlässigkeit und Langlebigkeit bieten.

Oder Sie vergleichen diese beiden PCB-Typen und sehen, was sie voneinander unterscheidet.

Wie aus der obigen Tabelle hervorgeht, sind Keramikleiterplatten herkömmlichen Leiterplatten deutlich überlegen. Das Substratmaterial der Keramikleiterplatte besteht aus Keramikkernen. Diese Kerne sind bei höheren Temperaturen und Frequenzen effizienter. Da sie keine freien Elektronen enthalten, ist die Wahrscheinlichkeit einer Signalstörung sehr gering.

Darüber hinaus nehmen Epoxidharz und Glasfaser mit der Zeit Feuchtigkeit auf. Wir haben auch bei herkömmlichen Leiterplatten eine höhere Feuchtigkeitsaufnahme und physikalische Delamination beobachtet. Keramikleiterplatten hingegen nehmen weniger Feuchtigkeit auf und sind daher in Umgebungen mit höherer Luftfeuchtigkeit stabiler.

Herkömmliche Leiterplatten sind zwar günstiger, bieten aber aufgrund ihrer schlechten Wärmeableitungseigenschaften keine praktikable Option für die Miniaturisierung. Keramik-Leiterplatten hingegen sind aufgrund ihrer hohen Dichte herkömmlichen Leiterplatten in dieser Hinsicht überlegen. Daher können Keramik-Leiterplatten in sehr kleinen Schaltungen eingesetzt werden.

Vorteile von Keramik-Leiterplatten

Soberer Hessen COnduktivität

Der bekannteste und bemerkenswerteste Vorteil von Keramik-Leiterplatten ist ihre hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Für Anwendungen mit hoher Leistungsdichte, wie z. B. HF-Komponenten, Leistungselektronik und LED-Modulen, bei denen Wärme abgeleitet werden muss, um eine reibungslose elektrische Leistung zu gewährleisten und ein thermisches Durchgehen zu verhindern, werden Keramik-Leiterplatten dringend empfohlen und bevorzugt. Darüber hinaus ist es mit Keramik-Leiterplatten möglich, High-Density Interconnects (HDIs) in Miniaturschaltungen zu integrieren. Da keine Kühlkörper erforderlich sind, erleichtert dies die Arbeit mit kleinen Leiterplatten. Im Gegensatz dazu benötigen herkömmliche Leiterplatten einen geeigneten Kühlkörper für eine bessere Wärmeableitung, der jedoch mehr Platz beansprucht.

Niedriger CTE

Der zweite Vorteil keramischer Leiterplatten ist ihr niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE). Dieser CTE-Wert von Keramik ist vergleichbar mit dem von Halbleitern. Darüber hinaus ermöglichen starke interatomare Verbindungen eine gute Funktion bei hohen Temperaturen ohne Leistungseinbußen.

Begrenzte dielektrische Leckage

Die dielektrische Leckage in Keramik-Leiterplatten ist begrenzt und liegt selbst bei hohen Frequenzen in der Regel unter 0.001. Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz in Hochfrequenzgeräten, einschließlich 5G-Infrastruktur und Mikrowellenschaltungen.

Thermisch SSprunggelenk RWiderstand

Keramische Leiterplatten bieten eine bessere Leistung bei extremen Temperaturen und regulieren die Wärme gut. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie bieten keramische Leiterplatten dank ihrer Fähigkeit, die Chip-on-Board-Technologie (COB) zur direkten Chipbefestigung zu unterstützen, eine bessere Leistung.

Arten von keramischen Leiterplatten

In diesem Abschnitt besprechen wir vier Haupttypen von Keramik-Leiterplatten. Diese Typen sind nicht auf nur vier beschränkt. Um einen Überblick über die verschiedenen Substrattypen von Keramik-Leiterplatten zu erhalten, finden Sie hier einige der beliebtesten und am häufigsten verwendeten Keramikkerne für Leiterplatten.

Keramik-Leiterplatten aus Aluminiumoxid (Al₂O₃)

Aluminiumoxid ist aufgrund seiner geringen Kosten eines der am häufigsten verwendeten keramischen Leiterplattensubstrate. Es hat eine Wärmeleitfähigkeit von 20–30 W/mK, bis zu 65-mal höher als herkömmliche Leiterplatten aus FR-4. Hier ist eine Zusammenfassung zu Aluminiumoxid-Keramik-Leiterplatten.

Aluminiumnitrid (AIN)-Keramik-Leiterplatten

Aluminiumnitrid-Keramik-Leiterplatten sind im Vergleich zu Aluminiumoxid relativ teuer in der Herstellung, weisen jedoch eine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit von 140–180 W/mK auf und eignen sich daher ideal für Hochleistungs- und Hochfrequenzschaltungen. Hier finden Sie weitere Informationen zu Aluminiumnitrid-Keramik-Leiterplatten.

Berylliumoxid (BeO) Keramik-Leiterplatten

Berylliumoxid-Keramik-Leiterplatten weisen mit 250 bis 300 W/mK die höchste Wärmeleitfähigkeit auf und eignen sich daher ideal für Schaltungen, die hohe Leistung bei hohen Temperaturen erfordern. Hier ist ein kurzer Überblick.

Magnesiumaluminat (MgAl₂O₄)-Keramik-Leiterplatten

Im Vergleich zu BeO und AIN ist Magnesiumaluminat, das eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, eine kostengünstigere Option.

Herstellungsprozess von Keramik-Leiterplatten

Bei der Herstellung von Keramik-Leiterplatten ist die Einhaltung einer Reihe präziser Schritte unerlässlich. All diese Schritte müssen sicherstellen, dass die hergestellte Keramik-Leiterplatte ihren vorgesehenen Zweck vollständig erfüllt.

Der erste Schritt bei der Herstellung einer Keramik-Leiterplatte besteht in der Analyse der Anforderungen, der erforderlichen Festigkeit, Steifigkeit und der mit der Leitfähigkeit verbundenen Eigenschaften.

Zweitens müssen wir ein geeignetes keramisches PCB-Substrat als Basis wählen. Wie bei jedem anderen Produkt erfüllen unterschiedliche Materialien unterschiedliche Anforderungen. Aluminiumoxid ist eine beliebte Wahl für kostenbewusste Projekte. Aluminiumnitrid und Berylliumoxid sind praktisch, wenn ein Projekt eine hohe Wärmeleitfähigkeit erfordert.

Sobald wir die perfekte Basis für unsere Keramikplatine haben, werden mit dem Laserätzen Abdrücke auf der Schaltung erzeugt. Diese Ätzungen schaffen einen Weg für den Stromfluss. Anschließend erzeugen wir, je nach Komplexität der Schaltung, mittels Dick- oder Dünnschichtabscheidung die erforderlichen Leiterbahnen.

Jetzt kommt der wichtigste Schritt: das Brennen der Platte bei sengender Hitze. Diese intensive Hitze verschmilzt alles miteinander und macht es zu einer zusammenhängenden Einheit.

Doch damit ist es noch nicht getan. Die Entwicklung der Keramik-Leiterplatten geht weiter: Es werden Löcher gebohrt, um Halterungen für weitere Komponenten zu schaffen – ganz wie beim Bau einer Miniaturstadt. Anschließend werden die Keramik-Leiterplatten mit einer Korrosionsschutzbeschichtung geschützt.

Abschließend beobachtet und analysiert das Qualitätssicherungsteam den gesamten Herstellungsprozess keramischer Leiterplatten sorgfältig. Jeder Schritt erfordert große Sorgfalt und Detailgenauigkeit. Wir können kein Risiko eingehen, da ein falscher Schritt das gesamte elektrische System ruinieren kann.

Genau aus diesem Grund empfehlen wir unseren Kunden immer, einen vertrauenswürdigen Hersteller von Keramik-Leiterplatten zu suchen, wie PCBasicWeitere Informationen oder ein Angebot erhalten Sie unter www.pcbasic.com.

Anwendungen von Keramikplatten

Leistungselektronik

Keramik-Leiterplatten werden vor allem in Wechselrichtern und Motorantrieben eingesetzt. Der Hauptgrund hierfür sind ihre besseren Wärmeableitungseigenschaften.

HF- und Mikrowellenschaltungen

Keramik-Leiterplatten werden auch häufig in HF- und Mikrowellensystemen eingesetzt, da sie dank ihrer niedrigen Dielektrizitätskonstante hohe Frequenzen nicht so leicht stören. Darüber hinaus findet man Keramik-Leiterplatten in Satellitensystemen, die üblicherweise mit BeO- und AlN-Substraten gekoppelt sind.

LED und OptoElektronik

Bei längerem Betrieb von Hochleistungs-LEDs erwärmt sich die Schaltung stark, und diese Wärme muss abgeführt werden. Deshalb werden in solchen Geräten Keramikleiterplatten eingesetzt. Auch in Fotodioden und Laserdioden werden Keramikleiterplatten eingesetzt, um die thermische Belastung zu reduzieren.

Automotive Electronics

In der Automobilindustrie wird jedes neue Auto im Wettbewerb mit besseren Spezifikationen und Leistungsdaten hergestellt. Um das elektrische System eines Fahrzeugs zuverlässiger und hitzebeständiger zu machen, verwenden Ingenieure keramische Leiterplatten für eine bessere Wärmeableitung und steigern so die Gesamtleistung von Fahrzeugen.

Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

Bei hohen Temperaturen tragen Keramik-Leiterplatten besser zur Reduzierung der thermischen Belastung bei als jeder andere herkömmliche Leiterplattentyp.

Fazit

Keramik-Leiterplatten sind die ideale Lösung für alle, die langfristig in Schaltkreise investieren möchten. Die Anwendungsmöglichkeiten und Eigenschaften einer Keramik-Leiterplatte gehen über die herkömmlicher Leiterplatten hinaus. Wenn Sie einen Partner für Keramik-Leiterplatten suchen, PCBasic steht Ihnen zur Seite! Wir bauen Ihnen erstklassige Keramik-Leiterplatten, damit Ihre Projekte schnell und erfolgreich umgesetzt werden. Weitere Informationen finden Sie unter www.pcbasic.com und sehen Sie, was sie für Sie tun können!

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