Was ist eine keramische Leiterplatte, und welche Arten von keramischen Leiterplatten gibt es?

Was ist ein Keramik-Leiterplatte?

Keramische Leiterplatten (PCBs) sindLeiterplatten, bei denen Keramikmaterialien alsSubstrateverwendet werden.Sie werden aus Keramikpulvern (wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid) in Kombination mit organischen Bindemitteln hergestellt.Ihre Wärmeleitfähigkeitliegt typischerweise zwischen 9 und 20W/m·K, wodurch sie sich hervorragend für dasWärmemanagement eignen. Außerdem weisen sie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) und stabile elektrische Eigenschaften auf. Sie werden mit Techniken wie der laseraktivierten Metallisierung (LAM) hergestellt, wodurch sie sich perfekt für elektronische Geräte eignen, die in Umgebungen mit hoher Leistung, hoher Frequenz und hohen Temperaturen betrieben werden.

Arten von keramischen PCBs

Auf der Grundlage von Materialsystemen und Herstellungsverfahren werden keramische Leiterplatten hauptsächlich in die folgenden Typen eingeteilt:

1. HTCC (High-Temperature Co-fired Ceramic)

• Materialien: Keramiken auf Aluminiumoxidbasis mit Wolfram/Molybdän-Metallpasten.
• Prozess: Mitverbrennung in einer Wasserstoffatmosphärebei 1600–1700 °C für bis zu 48 Stunden.
• EigenschaftenHohe strukturelle Festigkeit und Präzision, geeignet für hochzuverlässige Luft- und Raumfahrt- und Militäranwendungen.

2.LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic)

• MaterialienKristallglas + keramische Verbundwerkstoffe mit Pasten auf Goldbasis.
• Prozess: Sintern bei etwa 900 °C, gefolgt vonLaminieren und Formen.
• EigenschaftenGeringe Schrumpfungstoleranz und hohe mechanische Festigkeit, weit verbreitet in HF-Modulen und Sensoren.

3.Dickschicht-Keramik-Leiterplatte

• ProzessSiebdruck von Silber-/Gold-Palladium-Pasten aufKeramiksubstrate,gefolgt von Hochtemperatursintern(≤1000 °C).
• Eigenschaften: Leiterbahnschichtdicke von 10–13 μm,unterstützt die Integration passiver Komponenten wie Widerstände und Kondensatoren, geeignet für komplexeSchaltungsdesigns.

4.Dünnschicht-Keramik-Leiterplatte

• ProzessHerstellung von Metallschaltungen im Mikrometerbereich durch Vakuumabscheidung oder Sputtern.
• EigenschaftenHohe Schaltungspräzision, ideal für Hochfrequenz-Mikrowellenschaltungen.

5.DBC/DPC (Direct Bonded Copper/Direct Plated Copper Ceramic Substrate)

• ProzessDirektes Aufkleben von Kupferfolie auf keramische Oberflächen bei hohen Temperaturen (DBC) oder Schaltkreisbildung durch Galvanisieren (DPC).
• EigenschaftenHervorragende Wärmeleitfähigkeit und Strombelastbarkeit, was sie zur bevorzugten Wahl für Leistungshalbleiter (z. B. IGBTs) und LED-Beleuchtung macht.

Vorteile von keramischen Leiterplatten

1. Hohe Wärmeleitfähigkeit:
   Die Wärmeleitfähigkeit ist viel höherals bei herkömmlichen FR-4-Substraten (z. B. kann Aluminiumnitrid 170–230 W/m·K erreichen), wodurch die Wärmeableitung inHochleistungsgeräten effektiv gewährleistet wird.
2. Ausgezeichnete Hochfrequenzleistung:
   Geringer dielektrischer Verlust und stabile Dielektrizitätskonstante, geeignet für 5G-, RF- und Mikrowellenkommunikation.
3. Stabilität bei hohen Temperaturen:
   Kann in Umgebungen mit Temperaturen über350°Cbetrieben werden und eignet sich daher ideal für Automobilelektronik, Luft- und Raumfahrt sowie andere Hochtemperaturanwendungen.
4. Mechanische und chemische Beständigkeit:
   Hohe mechanische Festigkeit, Beständigkeit gegen Vibrationen, Korrosion und chemische Erosion.
5. Dimensionsstabilität und niedriger WAK:
   Der thermische Ausdehnungskoeffizient liegt nahe an dem von Siliziumchips, was Verbindungsfehler durch thermische Belastung reduziert.
6. Integrationsfähigkeit mit hoher Packungsdichte:
   Unterstützt feine Linienbreiten, Microvias und Multilayer-Stacking, geeignet für miniaturisierte Designs.

Herstellungsverfahren für keramische Leiterplatten

1. Gestaltung und Layout:
   Schaltungsentwurf mit CAD-Software, Optimierung des Wärmemanagements und der Signalintegrität.
2. Vorbereitung des Substrats:
   Keramiksubstrate (Al₂O₃, AlN, SiC usw.)werden auf die gewünschten Abmessungen zugeschnitten und poliert.
3. Leitende Schichtabscheidung:
   Die Silber-/Gold-Palladium-Leitpaste wird im Siebdruck- oder Tintenstrahlverfahren aufgebracht.
4. Über Bohren und Füllen:
   Laser- oder mechanisches Bohren, wobei leitfähige Materialien die Durchgangslöcher für die Verbindungen zwischen den Schichten füllen.
5. Mitbrennen und Sintern:

• HTCC: Gesintert in einer Wasserstoffumgebungbei1600–1700°C.
• LTCC: Niedertemperatursintern bei etwa900 °C.
  Mehrschichtige Schaltungen müssen vor dem Co-Firing gestapelt werden.

1. Montage und Prüfung von Bauteilen:
   Die SMD-Bauteile werden gelötet, anschließend werden elektrische, Umwelt- und Zuverlässigkeitstests durchgeführt.
2. Schutzbeschichtung und Verpackung:
   Um die Umweltbeständigkeit zu erhöhen, werden Schutzschichten aufgebracht, gefolgt von einer abschließenden Funktionsprüfung und Verpackung.

Wann sollte man sich für keramische Leiterplatten entscheiden?

Keramische Leiterplatten eignen sich für die folgenden Szenarien:

• High-Power-Geräte: Zum Beispiel IGBT-Module, Power-Management-Systeme und LED-Autolampen.
• Hochfrequenz-Anwendungen5G-Basisstationen, Radarsysteme, Satellitenkommunikation.
• Umgebungen mit hohen TemperaturenMotorsteuerungen für die Luft- und Raumfahrt, Automobilelektronik.
• Hohe ZuverlässigkeitsanforderungenMedizinische Geräte (z. B. chirurgische Laserinstrumente), militärische Ausrüstung.
• Chemisch korrosive Umgebungen: Erdölexploration, industrielle Automatisierung.

Überlegungen:

• Keramische Leiterplatten sind relativ teuer und eignen sich daher eher für Hochleistungsanforderungen als für Verbraucherprodukte.
• Bei der Konstruktion muss die Sprödigkeit des Materials berücksichtigt werden, um eine Konzentration mechanischer Spannungen zu vermeiden.
• Eine hohe Prozesskomplexität erfordert die Zusammenarbeit mit Lieferanten mit ausgereiftem technischem Know-how.

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