Keramik-Substrat-PCBs: Expertenwissen & Design-Best-Practices

Was ist ein Keramik-Substrat?

Keramik-Substrate sind spezielle PCBs mit thermischer Leitfähigkeit 9–20 W/m·K, gefertigt bei < 250 °C. Kupferfolie wird direkt auf Aluminiumnitrid (AlN) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) gebunden. Elektrische & thermische Leistung übertrifft die meisten Metallkern-PCBs.

Kupferauftrag auf Aluminium

Vorteile von Keramik-Substrat-PCBs

Materialvorteile:

• Keine Oxidschicht auf Kupfer → dauerhaft in reduzierender Atmosphäre einsetzbar.
• Hohe chemische Beständigkeit, hermetisch, wasserabweisend.
• Hohe Zuverlässigkeit in Luftfahrt, kosmische Strahlung beständig, organikfrei.
• High-Density-Assembly mit niedrigem Thermowiderstand.
• Geringer Hochfrequenzverlust, gute Isolation, raue Umgebungen.
• Hohe Löttemperaturen, gute Lötbarkeit.
• Bis 350 °C Betriebstemperatur.
• Niedrigerer, festerer elektrischer Widerstand (Aluminiumoxid-Keramik).
• Kosteneffizient, heavy-duty-tauglich.
• Passender Ausdehnungskoeffizient, höhere Wärmeleitfähigkeit.

Technische Vorteile (LAM/DPC vs. DBC/LTCC):

• Laserbohrtechnik: präzise, schnell, effizient.
• Gute elektrische Eigenschaften, hohe Verbindungsfestigkeit Keramik-Metall.
• Through-Hole-Verbindungen für kundenspezifische Lösungen.

Through-Hole-Verzinnung auf Leiterplatte

Arten von Keramik-Substraten

Nach Material

Al₂O₃ (Aluminiumoxid)

Am häufigsten in Elektronik. Elektrisch, thermisch, mechanisch stabil, chemisch beständig, hohe Festigkeit, Rohstoffe reichlich vorhanden.

Aluminiumoxid-Struktur

Anwendung: Vielfältige Keramikformen.

AlN (Aluminiumnitrid)

• Ausdehnungskoeffizient passend zu Silizium.
• Hohe Wärmeleitfähigkeit.

Nachteil: Teurer als Al₂O₃, dünne Oxidschicht mindert Wärmeleitfähigkeit. Prozesskontrolle verbessert Konsistenz; Preis könnte durch Fortschritte sinken.

Anwendung: Substrate für Elektronikgehäuse, Heatspreader.

BeO (Berylliumoxid)

Höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium, für Hochwärmeanwendungen. Giftig → selten eingesetzt.

Fazit: Al₂O₃ dominiert durch umfassende Performance (Leistungsmodule, Hybrid-Mikroelektronik, Leistungselektronik).

Nach Fertigungsprozess

Co-fired Keramik-Mikroelektronik

HTCC (High-Temperature Co-Fired Ceramic)

> 1300 °C. Prozess: Keramik aus Schmiermittel, Al₂O₃, Kleber, Weichmacher, Lösungsmittel. Beschichtung, Leiterbild aus W, Mo, Mn. 48 h bei 1300–1700 °C in H₂-Atmosphäre. Hohe Kofer-Temperatur limitiert Leiterwerkstoffe.

LTCC (Low-Temperature Co-Fired Ceramic)

Glaskeramik + organischer Binder auf Metallfolie (Goldpaste). Schneiden, laminieren, 900 °C in Gasofen.

Vorteile: Weniger Verzug, bessere Schrumpfung als HTCC; höhere mechanische Festigkeit & Wärmeleitfähigkeit als andere Substrate.

Anwendung: Wärmefreie Produkte (LED-Beleuchtung).

Thick Film Ceramic PCB

Gold- & Dielektrikumspasten auf Keramikbasis, Brennen ≤ 1000 °C. Verhindert Kupferoxidation. Widerstände, Kondensatoren, Leiter, Halbleiter auf Keramik integrierbar.

Thick Film Technologie

Leiterschicht ≤ 13 µm. Bevorzugt bei Oxidationssorgen.

• DBC (Direct Bonded Copper): Kupfer über eutektische Cu-O-Schmelze (1065–1083 °C) direkt auf Keramik. O₂-Menge zwischen Keramik & Kupfer steuern.
• DPC (Direct Plated Copper): Vakuum-Beschichtung (Sputtern) von Kupfer auf gereinigtes Keramiksubstrat. Photolithografie (Gelblicht), Ätzen, galvanische/chemische Verdickung, Photolack entfernen → Metallisierung fertig.
• LAM (Laser Activation Metallization): Hochenergetischer Laser ionisiert Metall & Keramik → wachsen fest zusammen.

Anwendungen von Keramik-PCBs

Dank hoher Wärmeleitfähigkeit, niedriger Dielektrizitätskonstante:

• Straßen-/High-Bright-Beleuchtung
• Halbleiter-Prozessanlagen
• Telekom-Geräte, Sensoren
• Solarzellen, KFZ-Lichtsysteme, LEDs
• Digital/Analog PCBs, Tx/Rx-Module, Solarpaneel-Arrays
• Solid-State-Relais (SSR)
• Hochpräzise Taktoszillatoren (OCXO, TCXO, VCXO)
• Hochleistungs-Schaltungen, Chip-on-Board, Speichermodule

Verschiedene Sensoren

LED-Birne

Keramik-PCB vs. FR4

Vergleich nach mehreren Kriterien (Wärmeleitfähigkeit, CTE, Dielektrizitätskonstante, Frequenzverhalten, Kosten, Fertigungskomplexität). Keramik überlegen bei Thermik & HF; FR4 günstiger & standardisierter.

Fazit

Keramik-Leiterplatten sind in vielen Branchen (Elektronik, Luftfahrt, Medizintechnik) effizient. Bieten thermische Effizienz, gute elektrische Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit. Bei Fragen zu Keramik-Substraten: Kontaktieren Sie uns.