Eintauchen in keramische Leiterplatten: Typen und Materialeigenschaften

Keramische Leiterplatten, auch als keramische Hybridschaltungsgeräte bekannt, sind zum Industriestandard für elektrische Komponenten geworden. Ursprünglich in Keramikkondensatoren eingesetzt, wird diese Technologie heute aufgrund der Eigenschaften keramischer Materialien in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, was sie langlebig und zuverlässig macht und eine hervorragende Alternative zu herkömmlichen elektrischen Komponenten darstellt. In diesem Artikel werden die Materialien, Typen, Vor- und Nachteile von Keramik-Leiterplatten untersucht und Einblicke in deren Herstellung und Beschaffung gegeben.

Was ist eine Keramikplatine?

Bei einer Keramik-Leiterplatte handelt es sich um eine Leiterplattenart, die aus einem keramischen Material oder Substrat, meist einem anorganischen Dielektrikum, anstelle der herkömmlichen Glasfaser- oder Epoxidharzbasis besteht. Es besteht aus einer dünnen Isolierschicht aus Keramikmaterial mit einem Metallanteil.

Grundkomponenten keramischer Leiterplatten

Integrierte Schaltkreise sind hochintegriert geworden, wobei moderne Technologie und Elektronik Hunderte oder Tausende von Transistoren und Widerständen in einer komplexen Baugruppe enthalten, die auf einem kleinen Siliziumchip oder integrierten Schaltkreis (IC) aufgebaut ist. Diese integrierten Schaltkreise erfordern eine Basis oder ein Substrat, auf dem winzige elektronische Materialien und Verbindungen aufgebaut sind, sowie eine Struktur, die den Schaltkreis von seiner äußeren Umgebung isoliert und ihn in eine kompakte und solide Einheit, ein sogenanntes Paket, verwandelt. Substrate und Gehäuse sind für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit integrierter Schaltkreise von entscheidender Bedeutung und bieten Isolierung und Schutz.

Keramische Materialien sind für ihre isolierenden Eigenschaften bekannt und eignen sich daher ideal für Substrate und Gehäuse in integrierten Schaltkreisen. Aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit und Gasdichtigkeit eignen sie sich für Anwendungen in der Leistungselektronik, der hybriden Mikroelektronik, der Elektronikverpackung und in Multichipmodulen, insbesondere in Branchen wie Luft-und Raumfahrt und im Automobilbereich, wo Schaltungsdesigns mit hoher Leistungsdichte in rauen Umgebungen erforderlich sind. Keramische PCB-Substratmaterialien werden in Hochtemperaturanwendungen eingesetzt, bei denen herkömmliche PCBs den Temperaturen nicht standhalten können.

Materialien, die in Keramik-Leiterplatten verwendet werden

Zur Herstellung keramischer Leiterplatten werden verschiedene Keramikmaterialien verwendet, wobei die Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) wichtige zu berücksichtigende Eigenschaften sind. Beispiele für Substratmaterialien sind Aluminiumoxid oder Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN), Berylliumoxid oder Berylliumoxid (BeO), Siliziumkarbid (SiC) und Bornitrid (BN).

Aluminiumoxid (Al₂O₃)

Aluminiumoxid, auch Tonerde genannt, ist eine anorganische Verbindung aus Aluminium und Sauerstoff. Es ist ein ausgezeichneter elektrischer Isolator mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand von etwa 1 × 1014 Ω·cm. Aufgrund seiner herausragenden thermischen und Korrosionsstabilität, mechanischen und dielektrischen Festigkeit und der Fähigkeit, luftdichte Versiegelungen zu erzeugen, wird Aluminiumoxid häufig in der Elektronik für Substrate und Gehäuse verwendet und bietet eine Wärmeleitfähigkeit von 25.0 W/(m·K) und einen WAK von 4.5 to 10.9 x 10-6/K.

Aluminiumnitrid (AlN)

Aluminiumnitrid ist ein nichtoxidisches Halbleiterkeramikmaterial technischer Qualität mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 10 bis 12 · 10x Ω-m und einer Wärmeleitfähigkeit von 80 bis 200 W/(m·K). Es hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von 4 bis 6×10-6K1 und eignet sich daher für Umgebungen mit hohem Strom und hohen Temperaturen.

Berylliumoxid (BeO)

Berylliumoxid oder Beryllia wird aus Beryll oder dem Mineral Bromellit gewonnen. Es hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 209 bis 330 W/(m·K) und einen CTE von 7.4 bis 8.9 x 10-6/K, was es ideal für Anwendungen macht, die Luft- oder Flüssigkeitskühlung bei hohen Temperaturen erfordern oder Leiterplatten mit hoher Dichte.

Vor- und Nachteile von Keramik-Leiterplatten

Vorteile von Keramik-Leiterplatten

Keramische Leiterplatten bieten gegenüber herkömmlichen Leiterplatten mehrere Vorteile, darunter:

1. Hohe Wärmeleitfähigkeit: Im Bereich von 25 bis 330 W/(m·K) leiten Keramik-Leiterplatten die Wärme effizient ab und verhindern so Schäden durch hohe Temperaturen.
2. Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE): Mit festen interatomaren Bindungen bleiben keramische Leiterplatten auch bei wechselnden Temperaturen stabil und stabil.
3. Hervorragende Wärmedämmung: Es ist weniger wahrscheinlich, dass Wärme durch das Substrat fließt, wodurch Komponenten vor Schäden geschützt werden.
4. Anorganisches Material: Keramische Leiterplatten bieten langfristige chemische Beständigkeit und Haltbarkeit.
5. Mehrschichtig: Ermöglicht komplexe Aufgaben und anspruchsvolle Anwendungen.
6. Hochfrequenzfähigkeit: Ideal für Anwendungen, die Hochfrequenzdaten und elektrische Signalübertragungen erfordern.
7. Kosteneffizienz: Trotz der Anschaffungskosten bieten Keramik-Leiterplatten eine verbesserte Leistung und eine längere Lebensdauer, wodurch die Gesamtsystemkosten im Vergleich zu Leiterplatten mit Metallkern gesenkt werden.

Nachteile von Keramik-Leiterplatten

Während Keramik-Leiterplatten zahlreiche Vorteile bieten, sind einige potenzielle Nachteile zu berücksichtigen:

1. Handhabung: Keramik-Leiterplatten können empfindlich sein und erfordern eine besondere Handhabung während der Montage und Prüfung.
2. Erschwinglichkeit: Obwohl Keramik-Leiterplatten auf lange Sicht kostengünstig sind, sind sie aufgrund spezieller Produktionsanlagen und Materialien zunächst teurer als herkömmliche Leiterplatten.

Arten von Keramik-Leiterplatten

Keramische Leiterplatten werden mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt, wodurch sich je nach Herstellungsverfahren unterschiedliche Typen ergeben. Zu den gängigen Typen gehören:

• Laseraktivierte Metallisierungs-Leiterplatte (LAM PCB): Verwendet einen Hochenergie-Laserbohrer, um die Keramiksubstanz und das Metall zu ionisieren und so eine Bindung oder tiefe Verbindung für eine glattere Oberflächenstruktur zu erzeugen.
• Direct Plate Copper PCB (DPC PCB): Verwendet ein PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition), um Kupfer bei hohen Temperaturen und Drücken mit Substraten zu verbinden. Die Kupferdicke liegt im Bereich von 10 μm bis 140 μm.
• Direct Bonded Copper PCB (DBC PCB): Führt vor oder während der Abscheidung Sauerstoff zwischen Kupfer und Keramik ein, geeignet für hohe Kupferdicken von 140 μm bis 350 μm.
• Bei niedriger Temperatur mitgebrannte Keramik-Leiterplatten (LTCC-Leiterplatten): Durch die Kombination von Keramik und Glas werden Leiterplatten mit hervorragenden thermischen und elektrischen Eigenschaften hergestellt.
• Hochtemperatur-Co-fired Ceramic PCB (HTCC PCB): Hergestellt aus rohem Keramiksubstratmaterial ohne Glaszusatz, gebrannt bei Temperaturen von 1600–1700 °C für den Einsatz in rauen Umgebungen.
• Dickschicht-Keramik-Leiterplatte: Bei hohen Temperaturen in einer Stickstoffatmosphäre gebrannt, nachdem die Keramikbasis mit Dielektrikum, Gold, Silber oder Kupfer beschichtet wurde, geeignet für oxidationsempfindliche Anwendungen.

Wann sollten Keramik-Leiterplatten verwendet werden?

Keramik-Leiterplatten eignen sich ideal für Anwendungen, die eine hohe Hitzebeständigkeit, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit erfordern. Sie eignen sich für den Einsatz in rauen Umgebungen, Schaltungsdesigns mit hoher Leistungsdichte und Hochtemperaturanwendungen, bei denen herkömmliche Leiterplatten den Bedingungen möglicherweise nicht standhalten. Berücksichtigen Sie die Kosten-, Gewichts- und Wärmeleitfähigkeitsanforderungen Ihres Projekts, wenn Sie entscheiden, ob Keramik-Leiterplatten die richtige Wahl sind.

Aufgrund der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit von Keramik-Leiterplatten eignen sie sich gut für Anwendungen, bei denen die Wärmeableitung von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus eignen sie sich aufgrund ihrer hohen mechanischen Festigkeit und Beständigkeit gegenüber Chemikalien und Korrosion für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen. Keramik-Leiterplatten sind jedoch tendenziell teurer und schwerer als herkömmliche Leiterplatten. Daher ist es wichtig, diese Faktoren gegen die Vorteile abzuwägen, die sie für Ihre spezifische Anwendung bieten.

Wo man Keramik-Leiterplatten findet

Keramik-Leiterplatten sind aus einer Vielzahl von Quellen erhältlich, sowohl online als auch offline. Unternehmen wie Highleap Electronic bieten kundenspezifische Dienstleistungen zur Herstellung von Keramik-Leiterplatten an, sodass Kunden ihre Bestellungen an spezifische Anforderungen anpassen können. Lokale Elektronikgeschäfte führen möglicherweise auch Keramik-Leiterplatten, obwohl die Auswahl möglicherweise begrenzt ist. Online-Händler wie AliExpress und Alibaba haben oft eine große Auswahl an Keramik-Leiterplatten zum Kauf im Angebot.

Bei der Beschaffung von Keramik-Leiterplatten ist es wichtig, eine sorgfältige Prüfung durchzuführen, um sicherzustellen, dass Sie es mit einem seriösen Lieferanten zu tun haben. Zu den zu berücksichtigenden Faktoren gehören die Erfolgsbilanz des Lieferanten, die Qualität seiner Produkte und seine Fähigkeit, Ihre spezifischen Anforderungen zu erfüllen. Berücksichtigen Sie bei Ihrer Entscheidung außerdem Faktoren wie Bestellgröße, Materialart und Versandkosten. Durch die sorgfältige Bewertung dieser Faktoren können Sie einen zuverlässigen Lieferanten für Ihre Anforderungen an Keramik-Leiterplatten finden.

Fazit

Keramik-Leiterplatten sind aufgrund ihrer Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und überlegenen Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplatten zum Industriestandard für elektrische Komponenten geworden. Wenn Sie die Materialien, Typen, Vor- und Nachteile von Keramik-Leiterplatten kennen, können Sie fundierte Entscheidungen über deren Verwendung in Ihren Projekten treffen. Unabhängig davon, ob Sie eine hohe Hitzebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit oder Haltbarkeit suchen, bieten Keramik-Leiterplatten eine praktikable Lösung für verschiedene Anwendungen in der Elektronikindustrie.