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

Was ist ein Keramik-Leiterplatte?

Ceramic PCBs (printed circuit boards) are circuit boards that use ceramic materials as substrates. They are made using ceramic powders (like aluminum oxide, aluminum nitride, or beryllium oxide) combined with organic binders. Their thermal conductivity typically ranges between 9-20 W/m·K, which makes them excellent for managing heat. They also have a low coefficient of thermal expansion (CTE) and stable electrical characteristics. They’re made using techniques like Laser Activated Metallization (LAM), which makes them perfect for electronic devices that operate in high-power, high-frequency, and high-temperature environments.

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: Co-firing in a hydrogen atmosphere at 1600–1700°C for up to 48 hours.
• 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: Sintering at approximately 900°C, followed by lamination and forming.
• EigenschaftenGeringe Schrumpfungstoleranz und hohe mechanische Festigkeit, weit verbreitet in HF-Modulen und Sensoren.

3.Dickschicht-Keramik-Leiterplatte

• Prozess: Screen printing of silver/gold-palladium pastes onto ceramic substrates, followed by high-temperature sintering (≤1000°C).
• Eigenschaften: Conductor layer thickness of 10–13 μm, supports integration of passive components such as resistors and capacitors, suitable for complex circuit designs.

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:
   Thermal conductivity is much higher than traditional FR-4 substrates (e.g., aluminum nitride can reach 170-230W/m·K), effectively addressing heat dissipation in high-power devices.
2. Ausgezeichnete Hochfrequenzleistung:
   Geringer dielektrischer Verlust und stabile Dielektrizitätskonstante, geeignet für 5G-, RF- und Mikrowellenkommunikation.
3. Stabilität bei hohen Temperaturen:
   Can operate in environments above 350°C, making them ideal for automotive electronics, aerospace, and other high-temperature applications.
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:
   Ceramic substrates (Al₂O₃, AlN, SiC, etc.) are cut and polished to target dimensions.
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: Sintered in a hydrogen environment at 1600-1700°C.
• LTCC: Low-temperature sintering at around 900°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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