Übersicht über Keramik-Leiterplatten

Keramik-Leiterplattensubstrate sind spezielle Prozessplatten mit Kupferfolie, die bei hohen Temperaturen direkt auf die Oberfläche (ein- oder beidseitig) von Aluminiumoxid- (Al2O3) oder Aluminiumnitrid- (AlN) Keramik-Leiterplattensubstraten geklebt wird. Das hergestellte ultradünne Verbundsubstrat verfügt über eine hervorragende elektrische Isolierung, hohe Wärmeleitfähigkeit, hervorragende Lötbarkeit und hohe Haftfestigkeit. Es kann verschiedene Muster ätzen und verfügt daher über eine hohe Strombelastbarkeit. Daher sind Keramik-Leiterplattensubstrate zum Basismaterial für die Struktur- und Verbindungstechnik von Hochleistungselektronik-Schaltungen geworden.

Mit der Einführung von keramischen Leiterplattensubstraten begann eine neue Entwicklung in der Wärmeableitungsbranche. Aufgrund der Wärmeableitungseigenschaften von keramischen Leiterplattensubstraten und deren Vorteilen wie hoher Wärmeableitung, geringem Wärmewiderstand, langer Lebensdauer und Spannungsfestigkeit konnte durch die Verbesserung der Produktionstechnologie und -ausrüstung der Produktpreis beschleunigt und rationalisiert werden, wodurch sich die Anwendungsfelder der LED-Industrie erweitert haben, beispielsweise für Kontrollleuchten von Haushaltsgeräten, Autolichter, Straßenlaternen und große Werbetafeln im Außenbereich. 

Die erfolgreiche Entwicklung von keramischen PCB-Substraten bietet bessere Leistungen für Innen- und Außenbeleuchtungsprodukte und verschafft der LED-Industrie in Zukunft einen breiteren Markt.

Arten von Keramik-Leiterplatten Dgeteilt durch Materials

Keramische Leiterplatten lassen sich nach den verwendeten Materialien klassifizieren. Gängige Materialien sind Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid. Sie unterscheiden sich hinsichtlich Wärmeableitung, Isolierung und Festigkeit. Durch die Wahl des richtigen Materials kann die Leiterplatte besser an Ihre tatsächlichen Einsatzanforderungen angepasst werden.

1. Leiterplatte aus Aluminiumoxidkeramik

Aluminiumoxidkeramik-Leiterplattensubstrate sind das am häufigsten verwendete Substratmaterial in der Elektronikindustrie. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit und chemischen Stabilität im Vergleich zu den meisten anderen Oxidkeramiken in Bezug auf mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften sowie der reichlich vorhandenen Rohstoffe eignen sie sich für verschiedene technische Fertigungen und Formen. Das Aluminiumoxidsubstrat kann dreidimensional angepasst werden.

2. Berylliumoxid-Keramik-Leiterplatte

Seine Wärmeleitfähigkeit ist höher als die von Aluminium, sodass es in Situationen eingesetzt werden kann, in denen eine hohe Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist. Sie nimmt jedoch schnell ab, wenn die Temperatur 300 °C überschreitet. Das Wichtigste ist, dass seine Toxizität seine eigene Entwicklung begrenzt.

Berylliumoxidkeramik ist eine Keramik, deren Hauptbestandteil Berylliumoxid ist. Sie wird hauptsächlich als Substrat für großflächige integrierte Schaltkreise, Hochleistungs-Gaslaserröhren, Kühlkörpergehäuse von Transistoren, Mikrowellenausgangsfenster und Neutronenmoderatoren verwendet.

3. Aluminiumnitrid-Keramik-Leiterplatte

AlN weist zwei wichtige Eigenschaften auf: eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen dem Silizium entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten. Der Nachteil besteht darin, dass selbst eine sehr dünne Oxidschicht auf der Oberfläche die Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigt. Nur durch eine strenge Material- und Prozesskontrolle können AlN-Substrate mit hoher Konsistenz hergestellt werden. In China gibt es nur wenige AlN-Produktionstechnologien, die im großen Maßstab wie Sliton produziert werden können. Der Preis von AlN ist im Vergleich zu Al2O3 relativ hoch, was ebenfalls einen kleinen Engpass darstellt, der die Entwicklung einschränkt. Mit der Verbesserung der Wirtschaft und der Technologie wird dieser Engpass jedoch irgendwann verschwinden.

Aus den oben genannten Gründen lässt sich schließen, dass Aluminiumoxidkeramiken aufgrund ihrer überlegenen Gesamtleistung weit verbreitet sind und in der Mikroelektronik, Leistungselektronik, Hybrid-Mikroelektronik, Leistungsmodulen und anderen Bereichen nach wie vor eine beherrschende Stellung einnehmen.

AlN ist bis 2200 °C stabilisierbar. Die Festigkeit ist bei Raumtemperatur hoch und nimmt mit steigender Temperatur langsam ab. Es verfügt über eine gute Wärmeleitfähigkeit, einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ist ein gut thermoschockbeständiges Material. Dank seiner hohen Beständigkeit gegen Erosion durch geschmolzenes Metall eignet es sich ideal zum Schmelzen und Gießen von reinem Eisen, Aluminium oder Aluminiumlegierungen. 

Aluminiumnitrid ist außerdem ein elektrischer Isolator mit guten dielektrischen Eigenschaften und vielversprechend für den Einsatz als elektrisches Bauteil. Die Aluminiumnitridbeschichtung auf der Oberfläche von Galliumarsenid kann dieses während des Glühens vor Ionenimplantation schützen. Es ist auch ein Katalysator für die Umwandlung von Aluminiumnitrid von hexagonalem Bornitrid in kubisches Bornitrid. Es reagiert langsam bei Raumtemperatur mit Wasser. Es kann aus Aluminiumpulver bei 800–1000 °C in einer Ammoniak- oder Stickstoffatmosphäre synthetisiert werden. Das Produkt ist weiß bis grau-pulverblau. Es wird durch Reaktion des Al2O3-C-N2-Systems bei 1600–1750 °C synthetisiert und ist ein cremefarbenes Pulver. Aluminiumchlorid und Ammoniak werden durch eine Gasphasenreaktion hergestellt. Die Beschichtung kann durch Gasphasenabscheidung aus dem AlCl3-NH3-System synthetisiert werden.

4. Siliziumnitrid-Keramik-Leiterplatte

Die Rogers Company hat 3 das neue Siliziumnitrid-Keramiksubstrat (Si4N2012) der Curamik®-Serie auf den Markt gebracht. Da Siliziumnitrid eine höhere mechanische Festigkeit als andere Keramiken aufweist, können Designer mit dem neuen Curamik®-Substrat eine lange Lebensdauer in rauen Arbeitsumgebungen sowie bei HEV/EV- und anderen Anwendungen im Bereich erneuerbarer Energien erreichen.

Die Biegefestigkeit des neuen keramischen PCB-Substrats aus Siliziumnitrid ist höher als die des Substrats aus Al2O3 und AlN.

Die Bruchzähigkeit von Si3N4 übertrifft sogar die von Zirkonoxid-dotierter Keramik.

Bisher wurde die Zuverlässigkeit von kupferkaschierten Keramik-Leiterplattensubstraten in Leistungsmodulen durch die geringe Biegefestigkeit der Keramik eingeschränkt, was die Temperaturwechselbeständigkeit verringert. Für Anwendungen mit extremer thermischer und mechanischer Belastung, wie z. B. Hybrid- und Elektrofahrzeuge (HEV/EV), sind die üblicherweise verwendeten Keramik-Leiterplattensubstrate nicht die beste Wahl. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Substrat (Keramik-Leiterplatte) und Leiter (Kupfer) unterscheiden sich stark, wodurch während des Temperaturzyklus Druck auf die Verbindungsfläche ausgeübt und somit die Zuverlässigkeit verringert wird. Dieses Siliziumnitrid-Keramik-Leiterplattensubstrat (Si3N4) der Curamik®-Serie, das die Rogers Company auf der diesjährigen PCIM-Messe vorstellte, verlängert die Lebensdauer von Leistungselektronikmodulen um das Zehnfache.

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.

1. Der erste Schritt bei der Herstellung einer Keramik-Leiterplatte besteht darin, die Anforderungen, die erforderliche Festigkeit, Steifigkeit und die mit ihrer Leitfähigkeit verbundenen Eigenschaften zu analysieren.

2. 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.

3. Sobald wir die perfekte Basis für unsere Keramikplatine haben, werden mit dem Lasergravieren 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.

4. 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.

5. Doch damit ist es noch nicht getan. Die Keramikleiterplatten werden weiter bearbeitet, indem Löcher gebohrt werden, um Halterungen für weitere Komponenten zu schaffen – ganz wie beim Bau einer Miniaturstadt. Anschließend werden die Keramikleiterplatten mit einer Korrosionsschutzbeschichtung geschützt.

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

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.

Vorteile von Ceramische Leiterplattes

◆ Der Wärmeausdehnungskoeffizient des keramischen PCB-Substrats liegt nahe an dem des Siliziumchips, wodurch Mo-Scheiben der Übergangsschicht eingespart werden können, was Arbeit und Material spart und die Kosten senkt.

◆ Reduzieren Sie Schweißschicht, Wärmewiderstand, Hohlräume und Streckgrenze.

◆ Bei gleicher Strombelastbarkeit beträgt die Linienbreite der 0.3 mm dicken Kupferfolie in Keramik-Leiterplatten nur 10 % der Linienbreite gewöhnlicher Leiterplatten.

◆ Durch die hervorragende Wärmeleitfähigkeit ist das Chipgehäuse sehr kompakt, was die Leistungsdichte deutlich erhöht und die Zuverlässigkeit des Systems und des Geräts verbessert.

◆ Ultradünnes (0.25 mm) keramisches PCB-Substrat kann BeO ohne Umwelttoxizität ersetzen;

◆ Die Strombelastbarkeit ist groß, und wenn ein Strom von 100 A kontinuierlich durch einen Kupferkörper mit einer Breite von 1 mm und einer Dicke von 0.3 mm fließt, steigt die Temperatur um etwa 17 °C. Wenn ein Strom von 100 A kontinuierlich durch einen Kupferkörper mit einer Breite von 2 mm und einer Dicke von 0.3 mm fließt, steigt die Temperatur nur um etwa 5 °C.

◆ Niedriger Wärmewiderstand. Der Wärmewiderstand eines 10 × 10 mm großen Keramik-PCB-Substrats beträgt 0.31 K/W für ein 0.63 mm großes Keramik-PCB-Substrat, 0.19 K/W für ein 0.38 mm großes Keramik-PCB-Substrat und 0.14 K/W für ein 0.25 mm großes Keramik-PCB-Substrat.

◆ Hohe Isolierung und Spannungsfestigkeit gewährleisten die persönliche Sicherheit und den Schutz der Ausrüstung.

◆ Es können neue Verpackungs- und Montagemethoden realisiert werden, die eine hohe Integration der Produkte und eine Volumenreduzierung ermöglichen.

Kennzahlen REquirement für Ceramische Leiterplattes

In elektronischen Geräten, die unter hoher Leistung, hoher Frequenz und extremen Umgebungsbedingungen betrieben werden, können herkömmliche FR4-Leiterplatten die strengen Anforderungen an Wärmeableitung, elektrische Leistung und Stabilität nur schwer erfüllen. Keramik-Leiterplatten sind aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit, elektrischen Isolierung und Zuverlässigkeit die ideale Wahl für die neue Generation elektronischer Gehäuse und Schaltungsträger. Werfen wir einen Blick auf die wichtigsten Leistungsanforderungen an Keramik-Leiterplatten.

Mechanische Eigenschaften

Dank ihrer ausreichend hohen mechanischen Festigkeit können Keramik-Leiterplatten neben der Bauteilaufnahme auch als Trägerelement eingesetzt werden. Sie zeichnen sich durch gute Verarbeitbarkeit und hohe Maßgenauigkeit aus; Mehrschichtaufbauten lassen sich leicht realisieren. Glatte Oberflächen ohne Verzug, Verbiegung, Mikrorisse usw.

Elektrische Eigenschaften

Hoher Isolationswiderstand und Isolationsdurchschlagsspannung; niedrige Dielektrizitätskonstante; geringer dielektrischer Verlust; stabile Leistung bei hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit, Keramik-PCB gewährleistet Zuverlässigkeit.

Thermische Eigenschaften

Hohe Wärmeleitfähigkeit; Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist auf die entsprechenden Materialien abgestimmt (insbesondere auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Si); Ausgezeichnete Hitzebeständigkeit.

Andere Eigenschaften

Gute chemische Stabilität; Einfache Metallisierung, starke Haftung zwischen Schaltungsmustern und ihnen; Keine Hygroskopizität; Öl- und Chemikalienbeständigkeit; Die emittierte Strahlungsmenge ist gering; Die verwendeten Substanzen sind schadstofffrei und ungiftig; Die Kristallstruktur ändert sich innerhalb des Betriebstemperaturbereichs nicht; Reichhaltige Rohstoffe; Ausgereifte Technologie; Einfache Herstellung; Niedriger Preis.

Über PCBasic

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Anwendungsbereiches von Keramik-Leiterplatten

◆ Hochleistungs-Halbleitermodul; Halbleiterkühlschrank, elektronische Heizung; HF-Leistungssteuerschaltung, Leistungshybridschaltung.

◆ Intelligente Leistungskomponenten: Hochfrequenz-Schaltnetzteil und Halbleiterrelais.

◆ Automobilelektronik, Luft- und Raumfahrt sowie militärische Elektronikkomponenten.

◆ Montage von Solarmodulen; private Telekommunikationsvermittlungsstelle, Empfangssystem; Laser und andere Industrieelektronik.

Warum Keramik-Leiterplatten anderen Platinen vorziehen?

Im Vergleich zu herkömmlichen FR4-Leiterplatten oder Metallsubstrat-MCPCBs bietet die Keramiksubstrat-Leiterplatte in mehreren wichtigen Leistungsindikatoren erhebliche Vorteile. Ihre hervorragende Wärmeleitfähigkeit, ihr extrem niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, ihre hervorragende elektrische Isolierung und ihr Frequenzgang machen sie zur idealen Wahl für leistungsstarke und hochzuverlässige elektronische Geräte. Sie eignet sich insbesondere für Leistungselektronik, Hochfrequenzkommunikation und Anwendungen in rauen Umgebungen.

Hier zeigen sich die vielseitigen Stärken von Keramik-Leiterplatten, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Leistung, hoher Frequenz und hoher Zuverlässigkeit. Sie übertreffen sowohl FR4 als auch MCPCB in wichtigen Bereichen und machen Keramik-Leiterplatten zur bevorzugten Wahl für viele fortschrittliche elektronische Systeme.

Fazit

Da elektronische Geräte immer kompakter und leistungsfähiger werden, steigt die Nachfrage nach robusten thermischen und elektrischen Lösungen. Keramikleiterplatten zeichnen sich durch ihre überlegene Leistung unter extremen Bedingungen aus und sind daher für hochzuverlässige Anwendungen unverzichtbar. Ob Sie für die Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie oder Hochleistungs-LEDs entwickeln – die Wahl des richtigen Keramikleiterplattenherstellers und des richtigen Keramikleiterplattensubstrats sichert den langfristigen Erfolg Ihres Produkts.