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Keramische Leiterplatten

Keramische Leiterplatten bestehen, wie der Name schon sagt, nicht aus Pappe oder faserverstärktem Kunststoff (FR4), sondern aus Keramik. Dabei handelt es sich jedoch nicht um einfache Platten aus gebrannter Keramik, sondern um Substrate aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliciumcarbid oder Berylliumoxid.

Wie werden keramische Leiterplatten hergestellt?

Die Herstellung keramischer Leiterplatten unterscheidet sich in einigen wesentlichen Punkten von der von Platinen aus Kunststoff. Der Hauptunterschied liegt im Einsatz eines Brennofens, das jedoch erst nach der Anlage der Leiterbahnen erfolgt.

Herstellung im Brennofen

Im Gegensatz zu herk√∂mmlichen Leiterplatten aus Kunststoff bestehen die Leitungsbahnen bei Keramik-PCBs nicht aus Kupfer, sondern aus Silber- und Gold-Leitpasten. Diese werden im Siebdruckverfahren auf die Substratschicht aufgebracht. Anschlie√üend werden die einzelnen Lagen der herzustellenden Leiterplatte √ľbereinander gelegt. Erst jetzt erfolgt der Bennvorgang, der aus dem Substrat die eigentliche Keramikplatte brennt. Im Ofen verbinden sich au√üerdem die einzelnen Lagen zur Mulitlayerplatine.

 Weitere Verarbeitung

Zur einfacheren Handhabung bei der Herstellung werden Leiterplatten in Nutzen zusammengefasst. Darin unterscheiden sie sich nicht von herkömmlichen Platinen aus Kunststoff. Jedoch ist das Nutzentrennen (Depaneling) bei keramischen Leiterplatten aufgrund der Materialeigenschaften wesentlich schwieriger. Durch die im Vergleich zu faserverstärktem Kunststoff geradezu extreme Härte der Platinen, sind die herkömmlichen mechanischen Trennverfahren wie Fräsen oder Sägen nur schwer und unter hohem Verschließ möglich.

Als Alternative bietet sich f√ľr Keramik-PCBs die Trennung und Bearbeitung mit dem Laser an. Mit Laseranlagen ist nicht nur ein verschlei√üfreies Nutzentrennen m√∂glich, sondern auch die Anlage von Kavit√§ten, Vias f√ľr die Durchkontaktierung und mehr. 

Vorteile keramischer Leiterplatten

Die Verwendung von Keramiksubstraten als Material f√ľr die Herstellung von Leiterplatten bringt eine ganze Reihe von Vorteilen mit sich. Dies erkl√§rt, warum Keramikplatinen immer beliebter werden, insbesondere in Bereichen, in denen besonders hohe Anspr√ľche an die Robustheit und W√§rmeleitf√§higkeit eines PCB gestellt werden

Höhere Robustheit

Keramische Leiterplatten weisen ein hervorragendes thermisches Verhalten auf, was sie besonders bei extremen Temperaturen oder gro√üen Temperaturschwankungen zur ersten Wahl macht. Doch auch chemische Einfl√ľsse k√∂nnen Keramik-PCB weit weniger anhaben als herk√∂mmlichen Platinen. Auch gegen√ľber mechanischen Belastungen durch St√∂√üe und Vibrationen weisen die Keramikplatten eine h√∂here Resistenz auf.

Bessere thermische Leitfähigkeit

Keramik-PCBs verf√ľgen dar√ľber hinaus √ľber eine unerreichte thermische Leitf√§higkeit. Sie f√ľhren W√§rme sehr schnell ab und kommen daher (fast immer) ohne K√ľhlk√∂rper, Durchkontaktierungen zur K√ľhlung und sogar ohne aktive K√ľhlelemente aus. Im Gegensatz zu anderen Materialien mit hoher W√§rmeleitf√§higkeit, wie zum Beispiel Kupfer, ist die elektrische Leitf√§higkeit von Keramik wesentlich geringer. Das macht die Verwendung von Keramik als Material f√ľr PCB √ľberhaupt erst m√∂glich.

Ideal f√ľrs Multilayering

Abgesehen von der h√∂heren Robustheit besitzen keramische PCB eine weitere Eigenschaft, die sie f√ľr die moderne Leiterplattenfertigung besonders interessant machen: Durch ihren Aufbau aus vielen einzelnen Schichten sind Keramikplatinen besonders als Multilayer-PCB geeignet.

Zwar lassen sich Multilayer-Platinen auch mit herk√∂mmlichen Kunststoffsubstraten umsetzten, jedoch sind die dazu n√∂tigen Durchkontaktierungen h√§ufig Schwachstellen in der Leiterplattenkonstruktion. Der Grund liegt in den sehr verschiedenen W√§rmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer und FR4. Bedingt durch die unterschiedlich schnelle Ausdehnung kommt es an den √úberg√§ngen von Kupferh√ľlsen zu Kunststoff zu Spannungen, die zu Rissen f√ľhren k√∂nnen.

Zwar unterscheidet sich auch der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kuper und Keramiken, jedoch bei weitem nicht in dem Maß wie bei Kunststoff. Daneben leitet die Keramikplatine die Wärme auch schneller und gleichmäßiger ab, sodass die Wahrscheinlichkeit von thermisch bedingten Rissen deutlich niedriger ist.

Nachteile keramischer Leiterplatten

Keramik-PCBs haben vor allen Dingen einen wesentlichen Nachteil: sie sind nicht nur gegen Beschädigung resistenter, sondern auch gegen konventionelle Bearbeitungsmethoden. Dies macht ihre Verarbeitung aufwändiger und somit kostenintensiver. Daneben sind die Ausgangsmaterialien teurer als konventioneller Kunststoff.

Teurere Rohstoffe

Verglichen mit herk√∂mmlichen Leiterplatten aus Kunststoff oder gar aus verst√§rktem Papier, sind die Ausgangsstoffe f√ľr keramische Massen teurer. Das ist ganz besonders beim Berylliumoxid der Fall, weshalb dieser Werkstoff trotz seiner ausgezeichneten thermischen Leitf√§higkeit noch nicht breit in Bauteilen eingesetzt wird.

Schwer zu bearbeiten

Die hohe Robustheit keramischer Leiterplatten hat auch einen unerw√ľnschten Nebeneffekt: So zuverl√§ssig sich Keramik-PCBs Umwelteinfl√ľssen widersetzen, so hartn√§ckig widerstehen sie auch vielen Bearbeitungsversuchen. Die Herstellung von Keramikplatinen ist daher wesentlich aufwendiger als die konventioneller Leiterplatten aus Kunststoff. Die aufw√§ndigere Bearbeitung und der h√∂here Materialverschlei√ü an den Bearbeitungswerkzeugen sind die haupts√§chlichen Kostentreiber. Bei letzterem kann jedoch die Bearbeitung mit Hilfe von Laseranlagen Abhilfe schaffen.

Wo werden keramische Leiterplatten eingesetzt?

Keramische Leiterplatten kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn besondere Anforderungen an die Robustheit des PCB gestellt werden oder die Platinen f√ľr Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Anwendungen zum Einsatz kommen sollen. Dies ist zum Beispiel im Automotive-Bereich der Fall, wenn es um Platinen f√ľr elektronische Sensoren oder Radartechnik geht. Auch die RF-Module in modernen Funkger√§ten verf√ľgen oft √ľber Keramik-Leiterplatten, insbesondere wenn die Funkger√§te f√ľr den Einsatz in widriger Umgebung gebaut sind.

Zusammenfassung: Keramische Leiterplatten

Keramische Leiterplatten bestehen nicht aus Kunststoff, sondern aus einer keramischen Masse mit Aluminiumoxid, Siliciumcarbid oder √§hnlichem. Sie haben gegen√ľber FR4-Platinen wesentliche Vorteile, insbesondere ihre besseren thermischen Eigenschaften und ihre h√∂here Robustheit, weshalb sie besonders in der Hochfrequenztechnik oder bei extremen Temperaturen zum Einsatz kommen.

Die Kosten f√ľr die Ausgangsstoffe zur Herstellung von Keramik PCBs sind jedoch h√∂her, au√üerdem ist ihre Verarbeitung, bedingt durch die h√∂here Robustheit, aufw√§ndiger. Durch die Bearbeitung mit Laseranlagen k√∂nnen Keramikplatinen jedoch zu niedrigeren Kosten hergestellt werden als mit konventionellem Fr√§sen. In Zukunft werden wohl immer mehr elektronische Komponenten mit Keramik-PCBs ausgestattet sein.

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