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Keramische Leiterplatten

Keramische Leiterplatten bestehen, wie der Name schon sagt, nicht aus Pappe oder faserverstÀrktem 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 herkömmlichen 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. Anschließend werden die einzelnen Lagen der herzustellenden Leiterplatte ĂŒbereinander gelegt. Erst jetzt erfolgt der Bennvorgang, der aus dem Substrat die eigentliche Keramikplatte brennt. Im Ofen verbinden sich außerdem 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 faserverstĂ€rktem Kunststoff geradezu extreme HĂ€rte der Platinen, sind die herkömmlichen mechanischen Trennverfahren wie FrĂ€sen oder SĂ€gen nur schwer und unter hohem Verschließ möglich.

Als Alternative bietet sich fĂŒr Keramik-PCBs die Trennung und Bearbeitung mit dem Laser an. Mit Laseranlagen ist nicht nur ein verschleißfreies Nutzentrennen möglich, sondern auch die Anlage von KavitĂ€ten, Vias fĂŒr die Durchkontaktierung und mehr. 

Vorteile keramischer Leiterplatten

Die Verwendung von Keramiksubstraten als Material fĂŒr die Herstellung von Leiterplatten bringt eine ganze Reihe von Vorteilen mit sich. Dies erklĂ€rt, warum Keramikplatinen immer beliebter werden, insbesondere in Bereichen, in denen besonders hohe AnsprĂŒche an die Robustheit und WĂ€rmeleitfĂ€higkeit eines PCB gestellt werden

Höhere Robustheit

Keramische Leiterplatten weisen ein hervorragendes thermisches Verhalten auf, was sie besonders bei extremen Temperaturen oder großen Temperaturschwankungen zur ersten Wahl macht. Doch auch chemische EinflĂŒsse können Keramik-PCB weit weniger anhaben als herkömmlichen Platinen. Auch gegenĂŒber mechanischen Belastungen durch StĂ¶ĂŸe und Vibrationen weisen die Keramikplatten eine höhere Resistenz auf.

Bessere thermische LeitfÀhigkeit

Keramik-PCBs verfĂŒgen darĂŒber hinaus ĂŒber eine unerreichte thermische LeitfĂ€higkeit. Sie fĂŒhren WĂ€rme sehr schnell ab und kommen daher (fast immer) ohne KĂŒhlkörper, Durchkontaktierungen zur KĂŒhlung und sogar ohne aktive KĂŒhlelemente aus. Im Gegensatz zu anderen Materialien mit hoher WĂ€rmeleitfĂ€higkeit, wie zum Beispiel Kupfer, ist die elektrische LeitfĂ€higkeit von Keramik wesentlich geringer. Das macht die Verwendung von Keramik als Material fĂŒr PCB ĂŒberhaupt erst möglich.

Ideal fĂŒrs Multilayering

Abgesehen von der höheren Robustheit besitzen keramische PCB eine weitere Eigenschaft, die sie fĂŒr 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 herkömmlichen Kunststoffsubstraten umsetzten, jedoch sind die dazu nötigen Durchkontaktierungen hĂ€ufig Schwachstellen in der Leiterplattenkonstruktion. Der Grund liegt in den sehr verschiedenen WĂ€rmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer und FR4. Bedingt durch die unterschiedlich schnelle Ausdehnung kommt es an den ÜbergĂ€ngen von KupferhĂŒlsen zu Kunststoff zu Spannungen, die zu Rissen fĂŒhren können.

Zwar unterscheidet sich auch der WĂ€rmeausdehnungskoeffizient von Kuper und Keramiken, jedoch bei weitem nicht in dem Maß wie bei Kunststoff. Daneben leitet die Keramikplatine die WĂ€rme auch schneller und gleichmĂ€ĂŸiger 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 BeschÀdigung resistenter, sondern auch gegen konventionelle Bearbeitungsmethoden. Dies macht ihre Verarbeitung aufwÀndiger und somit kostenintensiver. Daneben sind die Ausgangsmaterialien teurer als konventioneller Kunststoff.

Teurere Rohstoffe

Verglichen mit herkömmlichen Leiterplatten aus Kunststoff oder gar aus verstĂ€rktem Papier, sind die Ausgangsstoffe fĂŒr keramische Massen teurer. Das ist ganz besonders beim Berylliumoxid der Fall, weshalb dieser Werkstoff trotz seiner ausgezeichneten thermischen LeitfĂ€higkeit noch nicht breit in Bauteilen eingesetzt wird.

Schwer zu bearbeiten

Die hohe Robustheit keramischer Leiterplatten hat auch einen unerwĂŒnschten Nebeneffekt: So zuverlĂ€ssig sich Keramik-PCBs UmwelteinflĂŒssen widersetzen, so hartnĂ€ckig widerstehen sie auch vielen Bearbeitungsversuchen. Die Herstellung von Keramikplatinen ist daher wesentlich aufwendiger als die konventioneller Leiterplatten aus Kunststoff. Die aufwĂ€ndigere Bearbeitung und der höhere Materialverschleiß an den Bearbeitungswerkzeugen sind die hauptsĂ€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 fĂŒr Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Anwendungen zum Einsatz kommen sollen. Dies ist zum Beispiel im Automotive-Bereich der Fall, wenn es um Platinen fĂŒr elektronische Sensoren oder Radartechnik geht. Auch die RF-Module in modernen FunkgerĂ€ten verfĂŒgen oft ĂŒber Keramik-Leiterplatten, insbesondere wenn die FunkgerĂ€te fĂŒr 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 Ă€hnlichem. Sie haben gegenĂŒber FR4-Platinen wesentliche Vorteile, insbesondere ihre besseren thermischen Eigenschaften und ihre höhere Robustheit, weshalb sie besonders in der Hochfrequenztechnik oder bei extremen Temperaturen zum Einsatz kommen.

Die Kosten fĂŒr die Ausgangsstoffe zur Herstellung von Keramik PCBs sind jedoch höher, außerdem ist ihre Verarbeitung, bedingt durch die höhere Robustheit, aufwĂ€ndiger. Durch die Bearbeitung mit Laseranlagen können Keramikplatinen jedoch zu niedrigeren Kosten hergestellt werden als mit konventionellem FrĂ€sen. In Zukunft werden wohl immer mehr elektronische Komponenten mit Keramik-PCBs ausgestattet sein.

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