Hersteller und Fertigungsservice für kundenspezifische Keramik-Leiterplatten

Keramische Leiterplatten verwenden anorganische Keramiksubstrate – Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid – anstelle des organischen Glasfaser-Epoxidharzes, das in Standard-FR4-Leiterplatten zum Einsatz kommt. Das Keramiksubstrat verbindet sich ohne separate dielektrische Isolierschicht direkt mit den Kupferleitern. Dadurch entsteht ein Wärmeleitpfad vom Bauteil zum Kühlkörper, der 50- bis 500-mal effizienter ist als bei FR4. Aufgrund dieses strukturellen Vorteils werden keramische Leiterplatten für Leistungsmodule, Hochleistungs-LEDs, HF-Frontends, Laserdioden-Submounts und alle Anwendungen eingesetzt, bei denen Wärmestromdichte, Betriebstemperatur oder Temperaturwechselbeständigkeit die Belastbarkeit organischer Laminate übersteigen.

Highleap Electronics fertigt Keramik-Leiterplatten auf Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN) und Siliziumnitrid (Si₃N₄) Substraten unter Verwendung von DBC, DPC, Dickschicht- und Dünnschichtverfahren. LTCC und HTCC Prozesse. Wir montieren außerdem Bauteile auf Keramiksubstraten – SMT, Drahtbonden, Chipmontage und elektrische Prüfung – alles unter einem Dach.

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Vier keramische Substratmaterialien und ihre jeweiligen Einsatzgebiete

Jede Keramik-Leiterplatte beginnt mit dem Substrat. Das gewählte Material bestimmt die Wärmeleitfähigkeit, die mechanische Festigkeit, die Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten an den Halbleiterchip und die Kosten der fertigen Leiterplatte. Highleap lagert und verarbeitet alle vier produktionsreifen Keramiksubstrate.

Aluminiumoxid – das Arbeitstier der Produktion

Aluminiumoxid-Keramik-Leiterplatten Aluminiumoxid macht den Großteil der weltweiten Produktion von Keramik-Leiterplatten aus. Es ist in Reinheitsgraden von 96 % und 99.6 % erhältlich und bietet eine gute Wärmeleitfähigkeit (50- bis 100-mal besser als FR4), hervorragende elektrische Isolation und ein Kostenniveau, das es für die Produktion mittlerer Stückzahlen wirtschaftlich macht. Wir verwenden 96 %iges Aluminiumoxid für die meisten LED-, Sensor- und Leistungselektronikanwendungen und 99.6 %iges Aluminiumoxid, wenn engere Oberflächenrauheits- oder dielektrische Toleranzen erforderlich sind – typischerweise für Dünnschicht-HF-Schaltungen.

Aluminiumnitrid – führend in Sachen Wärmeleistung

AlN bietet die 7-fache Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumoxid und weist unter den Keramiksubstraten die beste Übereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) mit Silizium auf (4.5 gegenüber 3.0 ppm/°C). Aufgrund dieser guten CTE-Übereinstimmung wird AlN überall dort eingesetzt, wo Halbleiterchips direkt mit dem Substrat verbunden werden – beispielsweise in Leistungsmodulen, Laserdiodengehäusen und 5G-HF-Modulen. Der Nachteil sind höhere Kosten und anspruchsvollere Anforderungen an die Metallisierung. Unterstützung im Bereich Wärmemanagement hilft dabei festzustellen, ob Ihr Design tatsächlich AlN erfordert oder ob Aluminiumoxid mit einer besseren thermischen Schnittstellenkonstruktion das gleiche Sperrschichttemperaturziel zu geringeren Kosten erreichen könnte.

Siliziumnitrid – die härteste Keramik für extreme Radsportarten

Si₃N₄ bietet die 2- bis 3-fache Bruchzähigkeit von Aluminiumoxid oder AlN und übersteht dadurch Temperaturwechselbeanspruchungen (–55 bis +250 °C, über 30,000 Zyklen), die andere Keramiksubstrate zum Brechen bringen. Es hat sich zum bevorzugten Substrat für SiC und GaN der nächsten Generation entwickelt. Leistungselektronikmodule Si₃N₄ wird in Traktionsumrichtern für Elektrofahrzeuge und industriellen Motorantrieben eingesetzt. Die Verarbeitung erfolgt fast ausschließlich mittels AMB-Metallisierung (aktives Metalllöten).

Berylliumoxid – älteres Hochleistungsmaterial, eingeschränkte Verwendung

Berylliumoxid (BeO) bietet die höchste Wärmeleitfähigkeit aller keramischen Leiterplattenmaterialien, jedoch beschränkt seine Toxizität (Berylliumstaub ist stark gesundheitsschädlich beim Einatmen) seinen Einsatz auf Anwendungen, für die es keinen Ersatz gibt – hauptsächlich etablierte Luft- und Raumfahrtprogramme sowie Verteidigungsprogramme mit entsprechenden Handhabungsprotokollen. Neuere Designs setzen daher zunehmend auf Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄).

Sieben Herstellungsprozesse: Wie Kupfer auf Keramik gelangt

Das Substratmaterial bestimmt die thermischen Eigenschaften einer Keramik-Leiterplatte. Der Metallisierungsprozess definiert die elektrischen Eigenschaften – Leiterbahnauflösung, Kupferdicke, Lagenanzahl und die Festigkeit der Kupfer-Keramik-Verbindung. Highleap unterstützt alle sieben Metallisierungsverfahren in Produktionsqualität.

DBC – Direkt gebundenes Kupfer

DBC verbindet dicke Kupferfolie (0.15–0.6 mm) durch eine kontrollierte Oxidationsreaktion bei ca. 1,065 °C mit Keramik. Die so entstehende Kupfer-Keramik-Grenzfläche weist einen extrem niedrigen Wärmewiderstand auf und eignet sich für Hochstrom-Stromschienen von IGBT- und MOSFET-Leistungsmodulen. DBC ist der etablierte Standard für Keramiksubstrate für Leistungsmodule Sowohl auf Aluminiumoxid als auch auf AlN. Einschränkung: Die minimale Leiterbahnbreite beträgt aufgrund des dicken Kupfers typischerweise 0.3–0.5 mm, und die Kantendefinition ist gröber als bei DPC.

DPC – Direktplattiertes Kupfer

Beim DPC-Verfahren wird unter Vakuum eine dünne Titan/Kupfer-Keimschicht auf die Keramikoberfläche aufgesputtert und anschließend mittels Standard-Photolithographie und Galvanisierung Kupfer bis zur gewünschten Dicke (typischerweise 5–140 µm) abgeschieden. Das Verfahren ermöglicht eine hohe Linienauflösung (Leiterbahn-/Abstandsbreite bis zu 50/50 µm) und unterstützt durchkontaktierte Löcher und Vias – und ist damit die vielseitigste Metallisierung für komplexe Schaltungsdesigns. DPC ist das Standardverfahren für hochdichte LED-Gehäuse, HF-Schaltungen auf Aluminiumoxid und alle Keramik-Leiterplattendesigns, die impedanzkontrollierte Leiterbahnen erfordern.

AMB – Aktives Metalllöten

AMB verbindet Kupfer mit Keramik mittels einer aktiven Lötlegierung (typischerweise Ag-Cu-Ti) bei 800–900 °C unter Vakuum. Das aktive Titan benetzt die Keramikoberfläche und erzeugt so eine metallurgische Verbindung, die stärker ist als DBC – besonders wichtig für Si₃N₄-Substrate, bei denen das Standard-DBC-Oxidationsverfahren keine zuverlässige Verbindung herstellt. AMB ermöglicht Kupferschichtdicken bis zu 800 µm und ist die dominierende Technologie für SiC/GaN-Leistungshalbleitermodule der nächsten Generation.

Dicker Film

Dickschicht-Keramik-Leiterplatten Es werden leitfähige Pasten (Silber, Gold, Silber-Palladium) im Siebdruckverfahren verwendet, die bei 850–900 °C gesintert werden. Dieses Verfahren ermöglicht das direkte Aufbringen von Widerständen und Kondensatoren auf das Substrat – diskrete passive Bauelemente in Hybridschaltungen entfallen. Dickschichttechnik ist das kostengünstigste Verfahren für keramische Leiterplatten bei Anwendungen mit mittleren Strömen und größeren Strukturgrößen (minimale Leiterbahnbreite typischerweise 100–150 µm). Es ist Standard für Automobilsensoren, industrielle Steuerungen und hybride Mikroelektronik.

Dünner Film

Dünnschicht-Keramik-Leiterplatten Metall wird durch Sputtern oder Aufdampfen abgeschieden und anschließend mittels Fotolithografie strukturiert – so wird die höchste Auflösung aller Keramik-Leiterplattenverfahren erreicht (Leiter-/Abstandsbreite bis zu 10/10 µm). Dünnschichttechnologie eignet sich für präzise HF-Filter, Mikrowellenschaltungen und Hochfrequenzanwendungen, bei denen die Leiterbahngeometrie Impedanz und Einfügungsdämpfung direkt beeinflusst. Die Kupferdicke ist begrenzt (typischerweise unter 5 µm); Designs mit höherem Strombedarf kombinieren die Dünnschichtstrukturierung mit einer nachfolgenden Metallisierung (DPC-Verfahren).

LTCC – Niedrigtemperatur-Kobrandkeramik

Das LTCC-Verfahren brennt Keramikbandlagen mit eingebetteten Silber- oder Goldleitern bei 850–900 °C und erzeugt so mehrlagige Keramik-Leiterplatten (10+ Lagen) mit integrierten Durchkontaktierungen, Hohlräumen und eingebetteten passiven Bauelementen. LTCC ist der Standard für kompakte HF-Module, mmWellen-Frontends (Automobilradar, 5G-Antennen) und alle Designs, die eine dreidimensionale Verbindungsdichte in einem hermetisch dichten Keramikgehäuse erfordern. LTCC- und HTCC-Fähigkeiten decken sowohl Prototypen- als auch Serienvolumina ab.

HTCC – Hochtemperatur-Kobrandkeramik

Das HTCC-Verfahren brennt bei 1,500–1,800 °C und verwendet Wolfram- oder Molybdänleiter (Gold und Silber sind für diese Temperaturen nicht geeignet). HTCC erzeugt Substrate mit höchster Festigkeit und chemischer Beständigkeit – ideal für hermetische Gehäuse, Bohrlochmessgeräte und Elektronik für extreme Umgebungsbedingungen. Der Nachteil sind die geringere Leitfähigkeit der Leiter (Wolfram und Molybdän weisen einen 3- bis 5-fach höheren spezifischen Widerstand als Kupfer oder Silber auf) und die höheren Werkzeugkosten.

Auswahl der richtigen Keramik-Leiterplatte für Ihre Anwendung

Die meisten Projekte entscheiden sich für eine von fünf Material-Prozess-Kombinationen. Die Auswahl richtet sich nach den maßgeblichen Randbedingungen im Design – Stromstärke, Temperaturwechselbeständigkeit, Leiterbahnauflösung, Frequenz oder Kosten.

Tabelle der Fertigungskapazitäten von Highleap

Wie man Keramik-Leiterplatten spezifiziert und bestellt

Unvollständige Spezifikationen sind die Hauptursache für Angebotsverzögerungen und unerwartete Probleme bei der Erstausstattung von Keramik-Leiterplattenprojekten. Im Gegensatz zu FR4-Bestellungen, bei denen Standardwerte die meisten Fälle abdecken, erfordern Keramik-Leiterplatten die explizite Angabe jedes einzelnen Parameters, da keine branchenüblichen Standardwerte existieren.

Ihr Angebotspaket für Keramik-Leiterplatten sollte Folgendes enthalten:

Wenn Sie sich bei der Material- oder Prozessauswahl unsicher sind, senden Sie uns einfach Ihre Unterlagen. Unser Ingenieurteam berät Sie gerne. DFM-Überprüfung und Materialempfehlungen basierend auf Ihren thermischen, elektrischen und mechanischen Anforderungen – bevor Sie sich für eine bestimmte Konstruktion entscheiden.

Häufig gestellte Fragen

Welche Substratmaterialien stehen für keramische Leiterplatten zur Verfügung?

Die vier keramischen Leiterplattensubstrate in Produktionsqualität sind Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einer Wärmeleitfähigkeit von 24–28 W/m·K, Aluminiumnitrid (AlN) mit 170–200 W/m·K, Siliziumnitrid (Si₃N₄) mit 80–90 W/m·K und der höchsten Bruchzähigkeit sowie Berylliumoxid (BeO) mit 250–300 W/m·K für ältere Hochleistungsanwendungen. Aluminiumoxid eignet sich für die meisten Anwendungen zu den niedrigsten Kosten; AlN wird für Hochleistungsmodule eingesetzt, bei denen die Wärmeleitfähigkeit den limitierenden Faktor darstellt; Si₃N₄ wird dort spezifiziert, wo Temperaturwechselbeständigkeit und mechanische Robustheit besonders wichtig sind – beispielsweise bei SiC/GaN-Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge.

Worin besteht der Unterschied zwischen DBC-, DPC- und AMB-Keramik-Leiterplatten?

DBC verbindet dickes Kupfer (0.15–0.6 mm) bei ca. 1,065 °C durch einen kontrollierten Oxidationsprozess mit Keramik – optimal für Hochstrom-Leistungsmodule auf Aluminiumoxid und AlN. DPC trägt eine dünne Kupferkeimschicht durch Sputtern auf und plattiert diese anschließend auf die Zieldicke – optimal für Feinleiterschaltungen, LEDs und HF-Designs. AMB verlötet Kupfer bei 800–900 °C mit einem aktiven Metalllot – optimal für Si₃N₄-Substrate und alle Anwendungen, die eine möglichst starke Kupfer-Keramik-Verbindung und extreme Temperaturwechselbeständigkeit erfordern. Siehe unsere Details zum DBC-Prozess für einen detaillierteren technischen Vergleich.

Wie viel kosten Keramik-Leiterplatten im Vergleich zu FR4?

Keramische Leiterplatten kosten in der Regel das 5- bis 50-Fache vergleichbarer FR4-Leiterplatten, abhängig vom Substratmaterial, Metallisierungsverfahren, der Leiterplattengröße und der Bestellmenge. Aluminiumoxid-Dickschicht ist die günstigste Keramikoption. AlN- und Si₃N₄-AMB sind am teuersten. Der genaue Preis hängt vollständig von Ihrem spezifischen Design ab – eine 10 mm × 10 mm große Aluminiumoxid-DPC-LED-Substratplatte kostet deutlich mehr als ein 50 mm × 80 mm großes AlN-DBC-Leistungsmodulsubstrat. Senden Sie uns Ihre Gerber-Dateien für ein präzises Angebot basierend auf Ihrem Design. Weitere Informationen zu den Preisfaktoren für keramische Leiterplatten finden Sie in unserer [Website/Dokumentation/etc.]. Kostenanalyse für keramische Leiterplatten.

Können Keramik-Leiterplatten mehrlagig sein?

Ja. LTCC- und HTCC-Co-Firing-Prozesse unterstützen mehr als 10 Lagen mit eingebetteten Widerständen, Kondensatoren, Induktivitäten und vertikalen Verbindungen. DBC- und AMB-Substrate bestehen typischerweise aus 1–2 leitfähigen Lagen. DPC unterstützt 2–4 Lagen mit durchkontaktierten Löchern auf Aluminiumoxid- oder AlN-Substraten. Für komplexe Multilayer-Designs siehe unsere mehrlagige Keramik-Leiterplattenfähigkeiten.

Welche Dateien benötige ich, um ein Angebot für eine Keramik-Leiterplatte zu erhalten?

Vollständige Gerber-Dateien für alle Lagen, eine Fertigungszeichnung mit Angabe des Keramikmaterials und Reinheitsgrades, der Substratdicke und -toleranz, des Metallisierungsverfahrens, der Kupferdicke, der Oberflächenbeschaffenheit, der Maßtoleranzen, der elektrischen Prüfkriterien, der Menge und des gewünschten Liefertermins. Für die schlüsselfertige Montage fügen Sie bitte die Stückliste und die Bestückungsdateien hinzu. Auf Basis dieser Unterlagen erstellen wir Ihnen ein Angebot mit detaillierter Kostenaufstellung. Der Preis richtet sich nach Ihrem konkreten Design; wir erstellen keine Preisprognose für Gerber-Dateien, die wir nicht geprüft haben.