Keramische Leiterplatten – Ein vollständiger Leitfaden

Die meisten herkömmlichen Leiterplatten verwenden FR4 oder Epoxidharz als Basismaterial, das für gewöhnliche Produkte der Unterhaltungselektronik geeignet ist. Allerdings halten sie hohen Belastungen und hohen Frequenzen oft nicht stand. Um diese Probleme zu lösen, entschieden sich Ingenieure für Keramik-Leiterplatten.

Eine Keramikleiterplatte ist keine einfache Alternative zur herkömmlichen Leiterplatte, sondern eine fortschrittlichere Technologie. Sie verfügt über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, elektrische Isolierung und Dimensionsstabilität. Mit anderen Worten: Leiterplatten mit Keramiksubstrat funktionieren auch bei hohen Temperaturen, starken Vibrationen oder korrosiven Umgebungen stabil und zuverlässig und eignen sich daher hervorragend für Bereiche wie Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Automobilelektronik, medizinische Geräte und 5G-Kommunikation.

In diesem umfassenden Leitfaden vermitteln wir Ihnen ein umfassendes Verständnis von Keramik-Leiterplatten: Was sie sind, ihre Eigenschaften, häufig verwendete Materialien und Typen, spezifische Anwendungsszenarien, Herstellungsverfahren und die Unterschiede zwischen ihnen und FR4 und MCPCB.

Was ist eine Keramikplatine?

Eine Keramik-Leiterplatte ist eine spezielle Leiterplatte. Ihr Substrat besteht nicht aus herkömmlichem Glasfaser-Epoxidharz (FR4), sondern aus modernen Keramikmaterialien wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN), Berylliumoxid (BeO), Siliziumkarbid (SiC) oder Bornitrid (BN). Keramik wird anstelle organischer Materialien verwendet; Keramik-Leiterplatten besitzen Eigenschaften, die herkömmliche Leiterplatten nicht aufweisen, wie Wärmeleitfähigkeit, elektrische Isolierung und chemische Korrosionsbeständigkeit.

Gerade aufgrund dieser Eigenschaften werden Leiterplatten mit Keramiksubstrat häufig in der Hochleistungselektronik, in HF- und Mikrowellensystemen, in der Luft- und Raumfahrt, in Verteidigungsausrüstungen, in Leistungsmodulen für Kraftfahrzeuge, in LED-Beleuchtungen und anderen Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern.

Im Gegensatz zu einer MCPCB (Metallkernplatine), die zur Wärmeableitung auf Metallschichten angewiesen ist, ist bei einer Keramik-Leiterplatte die hohe Wärmeleitfähigkeit direkt in das Substrat integriert. Dadurch sind in der Regel keine zusätzlichen Kühlkörper erforderlich, das Systemdesign ist einfacher und die Leiterplatte unterstützt auch kleinere und dichtere Schaltkreise.

Vereinfacht ausgedrückt ist die Keramik-Leiterplatte nicht nur ein Ersatz für FR4, sondern vielmehr eine fortschrittlichere Schaltungslösung der neuen Generation. Sie gewährleistet einen stabilen Betrieb in Umgebungen mit hohen Temperaturen, hohen Frequenzen und korrosiven Einflüssen und bietet gleichzeitig langfristige Zuverlässigkeit in kritischen Anwendungen.

Hauptmerkmale von Keramik-Leiterplatten

Die Leistungsfähigkeit keramischer Leiterplatten beruht hauptsächlich auf den folgenden herausragenden Merkmalen:

Wärmeleitfähigkeit

Das bemerkenswerteste Merkmal einer Keramikleiterplatte ist ihre schnelle Wärmeableitung. Die Wärmeleitfähigkeit einer herkömmlichen FR4-Leiterplatte beträgt nur etwa 0.3 W/m·K, während die von Aluminiumoxid (Al₂O₃) 20–30 W/m·K erreichen kann und die von Aluminiumnitrid (AlN) sogar über 200 W/m·K liegt. Das bedeutet, dass die Wärme der Keramikleiterplatte 20- bis 100-mal schneller abgeleitet werden kann als die von herkömmlichen Leiterplatten. Dadurch wird eine Überhitzung der Komponenten effektiv vermieden und die Zuverlässigkeit erhöht.

Elektrische Isolierung

Ein keramisches PCB-Substrat verfügt über eine hervorragende elektrische Isolierung. Materialien wie Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid weisen geringe dielektrische Verluste und stabile Dielektrizitätskonstanten auf, was Signalverluste reduzieren kann. Dies macht keramische PCBs zur idealen Wahl für Hochfrequenz- (RF), Mikrowellen- und Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen und gewährleistet stabile und zuverlässige Signale.

Dimensionsstabilität

Keramik-Leiterplatten dehnen sich bei Temperaturschwankungen kaum aus, und ihr Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) liegt nahe an dem von Siliziumchips. Dies reduziert die Belastung von Leiterplatten und Chips durch Temperaturwechsel und macht Keramiksubstrat-Leiterplatten in Halbleitergehäusen äußerst zuverlässig.

Mechanische Festigkeit

Keramische Leiterplatten haben eine starke Struktur und halten Vibrationen, Stößen und mechanischen Belastungen stand. Diese Haltbarkeit ist in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilelektronik und der Verteidigungselektronik von großer Bedeutung.

Chemische Resistenz

Im Gegensatz zu FR4 oder einigen MCPCBs sind Keramiksubstrat-Leiterplatten korrosionsbeständig gegenüber Chemikalien, Lösungsmitteln und Feuchtigkeit. Dadurch können Keramik-Leiterplatten sicher in rauen Umgebungen wie der Medizintechnik, der industriellen Automatisierung und der Energiebranche eingesetzt werden.

Keramische PCB-Materialien

Beim industriellen PCB-Design wirkt sich die Auswahl des Substratmaterials direkt auf die Leistung der Leiterplatte aus. Verschiedene Keramikmaterialien verfügen über eine einzigartige Wärmeleitfähigkeit, mechanische Eigenschaften und elektrische Leistung und eignen sich daher für verschiedene Arten elektronischer Anwendungen.

In der folgenden Tabelle sind mehrere gängige keramische Leiterplattenmaterialien zusammen mit ihrer Wärmeleitfähigkeit, ihren Hauptmerkmalen und typischen Anwendungen aufgeführt. Sie dient als Referenz für Design und Materialauswahl.

Arten von Keramik-Leiterplatten

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Anwendungen von Keramik-Leiterplatten

Die Vielseitigkeit der Keramik-Leiterplatte macht sie in vielen Branchen unverzichtbar:

• LED-Beleuchtung: Hochleistungs-LEDs profitieren von Keramiksubstraten, die den Bedarf an Kühlkörpern überflüssig machen.

• Automobilelektronik: Wird in ECUs, Energiemanagement- und EV-Modulen verwendet, wo Vibrationen und Hitze eine Herausforderung darstellen.

• Luft- und Raumfahrt & Verteidigung: Radarmodule, Raketenlenkung, Avionik – zuverlässige Keramikleiterplatten unter extremen Bedingungen.

• Telekommunikation: HF-Verstärker, Mikrowellenschaltungen und 5G-Infrastruktur sind für die Signalintegrität auf keramische PCB-Substrate angewiesen.

• Medizinische Geräte: Implantierbare und diagnostische Geräte benötigen biokompatible und chemisch beständige Keramik-Leiterplatten.

• Industrielle Leistungselektronik: Wechselrichter, Konverter und Systeme für erneuerbare Energien profitieren von Hochleistungs-Leiterplatten mit Keramiksubstrat.

• Halbleiterverpackung: Chipträger und hybride Mikroelektronik verwenden mehrschichtige Keramikleiterplatten für hohe Dichte und Wärmekontrolle.

Überblick über den Herstellungsprozess

Die Herstellung einer Keramik-Leiterplatte ist kein einfacher Prozess. Sie umfasst mehrere professionelle Schritte, von denen jeder einzelne die Leistung und Zuverlässigkeit der fertigen Leiterplatte beeinflusst.

1. Design & Layout

Verwenden Sie zunächst CAD-Software für das Schaltungsdesign. Ingenieure berücksichtigen insbesondere die Anforderungen an die Wärmeableitung und die Hochfrequenz-Signalübertragungsleistung von Keramik-Leiterplatten, um sicherzustellen, dass das Schaltungslayout sowohl sinnvoll als auch zuverlässig ist.

2. Untergrundvorbereitung

Schneiden Sie die keramischen Substratmaterialien (üblicherweise Al₂O₃ und AlN) in die gewünschte Größe und polieren und reinigen Sie sie anschließend. Dieser Schritt stellt sicher, dass die Substratoberfläche eben, staub- und unreinheitsfrei ist, was nachfolgende Prozesse erleichtert.

3. Siebdruck oder Dünnschichtabscheidung

Leitfähige Pasten wie Silber (Ag), Gold (Au) und Kupfer (Cu) werden auf die Oberfläche von Keramiksubstraten gedruckt, um Leiterbahnen zu bilden. Das Dünnschichtverfahren ermöglicht auch die Abscheidung feinerer leitfähiger Schichten und eignet sich daher für hochpräzise Schaltungen.

4. Via-Bohrung und Metallisierung

Verwenden Sie Laser- oder mechanisches Bohren, um Durchkontaktierungen durch das Substrat zu erzeugen. Anschließend wird innerhalb der Bohrung eine Metallisierungsbehandlung durchgeführt, um zuverlässige Verbindungen zwischen den Schaltungsschichten herzustellen.

5. Stapeln und Laminieren

Bei mehrschichtigen Keramik-Leiterplatten werden die Substrate präzise ausgerichtet und zu einer mehrschichtigen Struktur laminiert. Dies ermöglicht hochdichte Verbindungen und komplexere Schaltungsdesigns.

6. Sintern/Brennen

Das laminierte Keramiksubstrat wird in einen Hochtemperaturofen gelegt und bei 850 bis 1700 °C gesintert, um die Keramik- und Metallschichten fest zu verbinden und so die Stabilität und Festigkeit der Leiterplatte zu gewährleisten.

7. Oberflächenbeschaffenheit

Auf der Oberfläche der Leiterplatte werden ENIG-, ENEPIG-, Chemisch-Silber- oder Chemisch-Zinn-Behandlungen durchgeführt. Diese Behandlungen können die Lötbarkeit verbessern und die Oxidation der Kupferschicht verhindern.

8. Montage und Prüfung

Installieren Sie oberflächenmontierte Bauelemente (SMDs) auf der Leiterplatte, um die grundlegenden Schaltungsfunktionen zu vervollständigen. Anschließend werden auch elektrische Tests und thermische Zuverlässigkeitstests durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Keramikplatine normal funktioniert.

9. Endgültige Profilierung und Verpackung

Der letzte Schritt besteht darin, die Leiterplatte zu schneiden oder zu ritzen, um die Formgebung abzuschließen. Qualifizierte Fertigprodukte werden vom Hersteller der Keramik-Leiterplatte verpackt und für den Versand vorbereitet.

Keramik-Leiterplatten vs. FR4- und Metallkern-Leiterplatten

• FR4: preiswert, aber schlechte Wärmeableitung.

• MCPCB: Kosten-Leistungs-Verhältnis.

• Keramik-Leiterplatte: überlegene Wärmeleitfähigkeit, aber sehr teuer.

Fazit

Keramik-Leiterplatten sind die erste Wahl für leistungsstarke elektronische Baugruppen. Sie vereinen hohe Wärmeleitfähigkeit, hervorragende elektrische Leistung, Langlebigkeit und chemische Korrosionsbeständigkeit und gewinnen daher in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Telekommunikation, der Verteidigung, der LED-Industrie und der medizinischen Ausrüstung zunehmend an Bedeutung.

Obwohl Keramik-Leiterplatten teurer und zerbrechlicher sind als FR4- oder Metallkern-Leiterplatten, können sie die langfristige Zuverlässigkeit verbessern, den Wärmeableitungsbedarf verringern und so die Lebensdauer elektronischer Produkte verlängern und insgesamt Kosten sparen.