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 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 übereinander 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 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 für Keramik-PCBs die Trennung und Bearbeitung mit dem Laser an. Mit Laseranlagen ist nicht nur ein verschleißfreies Nutzentrennen möglich, sondern auch die Anlage von Kavitäten, Vias für die Durchkontaktierung und mehr. 

Vorteile keramischer Leiterplatten

Die Verwendung von Keramiksubstraten als Material für die Herstellung von Leiterplatten bringt eine ganze Reihe von Vorteilen mit sich. Dies erklärt, warum Keramikplatinen immer beliebter werden, insbesondere in Bereichen, in denen besonders hohe Ansprüche an die Robustheit und Wärmeleitfähigkeit 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 Einflüsse können Keramik-PCB weit weniger anhaben als herkömmlichen Platinen. Auch gegenüber mechanischen Belastungen durch Stöße und Vibrationen weisen die Keramikplatten eine höhere Resistenz auf.

Bessere thermische Leitfähigkeit

Keramik-PCBs verfügen darüber hinaus über eine unerreichte thermische Leitfähigkeit. Sie führen Wärme sehr schnell ab und kommen daher (fast immer) ohne Kühlkörper, Durchkontaktierungen zur Kühlung und sogar ohne aktive Kühlelemente aus. Im Gegensatz zu anderen Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Kupfer, ist die elektrische Leitfähigkeit von Keramik wesentlich geringer. Das macht die Verwendung von Keramik als Material für PCB überhaupt erst möglich.

Ideal fürs Multilayering

Abgesehen von der höheren Robustheit besitzen keramische PCB eine weitere Eigenschaft, die sie für 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 häufig Schwachstellen in der Leiterplattenkonstruktion. Der Grund liegt in den sehr verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer und FR4. Bedingt durch die unterschiedlich schnelle Ausdehnung kommt es an den Übergängen von Kupferhülsen zu Kunststoff zu Spannungen, die zu Rissen führen können.

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 herkömmlichen Leiterplatten aus Kunststoff oder gar aus verstärktem Papier, sind die Ausgangsstoffe für keramische Massen teurer. Das ist ganz besonders beim Berylliumoxid der Fall, weshalb dieser Werkstoff trotz seiner ausgezeichneten thermischen Leitfähigkeit noch nicht breit in Bauteilen eingesetzt wird.

Schwer zu bearbeiten

Die hohe Robustheit keramischer Leiterplatten hat auch einen unerwünschten Nebeneffekt: So zuverlässig sich Keramik-PCBs Umwelteinflüssen widersetzen, so hartnäckig widerstehen sie auch vielen Bearbeitungsversuchen. Die Herstellung von Keramikplatinen ist daher wesentlich aufwendiger als die konventioneller Leiterplatten aus Kunststoff. Die aufwändigere Bearbeitung und der höhere Materialverschleiß an den Bearbeitungswerkzeugen sind die hauptsächlichen 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 für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Anwendungen zum Einsatz kommen sollen. Dies ist zum Beispiel im Automotive-Bereich der Fall, wenn es um Platinen für elektronische Sensoren oder Radartechnik geht. Auch die RF-Module in modernen Funkgeräten verfügen oft über Keramik-Leiterplatten, insbesondere wenn die Funkgeräte für 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 ähnlichem. Sie haben gegenüber 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 für die Ausgangsstoffe zur Herstellung von Keramik PCBs sind jedoch höher, außerdem ist ihre Verarbeitung, bedingt durch die höhere Robustheit, aufwändiger. Durch die Bearbeitung mit Laseranlagen können Keramikplatinen jedoch zu niedrigeren Kosten hergestellt werden als mit konventionellem Fräsen. In Zukunft werden wohl immer mehr elektronische Komponenten mit Keramik-PCBs ausgestattet sein.