Was ist ein Keramiksubstrat?
Ein Keramiksubstrat ist eine Platte aus Keramik, die die Verdrahtung einer Leiterplatte bildet oder eine isolierende Platte ist, auf der Bauteile platziert werden.
Darüber hinaus kann ein Keramiksubstrat auch als ein Substrat bezeichnet werden, auf dem ein Verdrahtungsmuster ausgebildet ist.
Anwendungen von Keramiksubstraten
Keramiksubstrate werden in gedruckten Schaltungen verwendet, die in Wärmeableitungsprodukten und Hochfrequenzmessgeräten eingesetzt werden, da sie in Umgebungen mit hohen Temperaturen verwendet werden und die gedruckten Schaltungen kleiner werden. Spezifische Anwendungen sind folgende:
- Produkte zur Wärmeableitung
Hochleistungs-LED-Beleuchtungsgeräte, Laserbearbeitungsgeräte, Tief-Ultraviolett-Bestrahlungsgeräte - Satellitenkommunikationsgeräte und Hochfrequenzmessgeräte
Antennen für Basisstationen, ETC, RF-Module, verschiedene Radargeräte - Produkte für die Automobilindustrie
LED-Lampen für Kraftfahrzeuge, Steuerungskomponenten für Kraftfahrzeuge - Elektronische Komponenten
Peltierelemente, piezoelektrische Sensoren, LEDs, Laserdioden, GAN-Module, Hochtemperatur-, Beschleunigungs-, Zyklus- und SiC-Leistungshalbleiter - Hochfrequenz-Mobilkommunikationsgeräte
IoT-Kommunikationsgeräte, Antennen und Filter, spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs), temperaturkompensierte Quarzoszillatoren (TCXOs)
Merkmale von Keramiksubstraten
Keramiksubstrate werden aus Keramik hergestellt und haben daher ähnliche Eigenschaften wie Keramiken. Typische Keramiken, aus denen keramische Substrate bestehen, sind Aluminiumoxid-Substrat, Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Substrat, Aluminiumnitrid (AlN) und Siliziumnitrid (Si3N4).
Es handelt sich dabei um Materialien mit hervorragender mechanischer Festigkeit, elektrischer Isolierung, Korrosionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit und die Substrate weisen dieselben Eigenschaften auf.
Arten von Keramiksubstraten
Es gibt drei Arten von Leiterplatten mit Verdrahtungsmustern usw., die auf isolierenden Keramiksubstraten hergestellt werden: Keramiksubstrate für hohe Temperaturen, niedrige Temperaturen und Keramiksubstrate in Dickschichttechnik.
1. Keramiksubstrate für hohe Temperaturen
Hochtemperaturkeramische Substrate sind Substrate, auf denen keramische Hochtemperaturschaltungen (HTCC) gebildet werden. Zunächst wird eine Isolierplatte als Basis aus keramischen Rohstoffen hergestellt, die für hohe Temperaturen geeignet sind. Anschließend wird auf der Isolierplatte ein Metallkreislauf, z. B. aus Wolfram oder Molybdän, gebildet und das laminierte Substrat wird dann bei hoher Temperatur gebrannt, um ein keramisches Substrat für hohe Temperaturen zu bilden.
2. Keramiksubstrate für niedrige Temperaturen
Keramische Substrate für niedrige Temperaturen sind Substrate aus bei niedriger Temperatur mitgebrannten Keramiken (LTCC). Sie zeichnen sich durch das Vorhandensein von Keramik- und Glasmaterialien in der Basisisolierplatte aus und werden in der Regel als Mehrschichtsubstrate hergestellt.
Zunächst werden Keramikpulver, Glas und Bindemittel gemischt, um eine Platte zu bilden. Es werden Durchgangslöcher angebracht, um mehrere Schichten an den gewünschten Stellen zu verbinden und es wird ein Verdrahtungsmuster gedruckt und geformt, um eine einzelne Schicht zu erzeugen. Nachdem mehrere Schichten mit unterschiedlichen Verdrahtungsmustern erstellt und gestapelt wurden, wird die LTCC-Leiterplatte durch den Brennprozess fertiggestellt.
3. Keramiksubstrate in Dickschichttechnik
Keramiksubstrate in Dickschichttechnik sind Substrate, auf denen elektrische Schaltungen durch Aufdrucken von Leiter- oder Widerstandspaste auf ein isolierendes Substrat gebildet werden und zeichnen sich durch eine relativ dicke Schichtdicke des Leiters aus.
Weitere Informationen zu Keramiksubstraten
1. Keramiksubstrate aus hochreinem Tonerde-Material
Keramiksubstrate werden durch Mischen und Brennen von wärmeleitenden Keramikpulvern mit organischen Bindemitteln und anderen Materialien hergestellt. Bei der Verwendung von hochreinem Aluminiumoxid ist das Aluminiumoxid ein feines Teilchen und die gebrannte Keramik hat nur wenige Poren und eine sehr glatte Oberfläche.
Dies bedeutet, dass das Material sehr gut an Dick- und Dünnschichtmaterialien haftet und stabile Eigenschaften bei der Verwendung als Leiterplatte aufweist. Da es sich um feine Partikel handelt, ändert sich ihre Größe nach dem Brennen nicht, und sie haben auch sehr gute äußere Eigenschaften, wie z. B. Maßabweichungen, Verziehen und Biegen. Sie haben auch eine hohe Wärmeableitung und Wärmebeständigkeit und sind unter hohen thermischen Bedingungen physikalisch und chemisch stabil.
2. Halbleitergehäuse mit Keramiksubstraten
Die mit der hohen Integration von Halbleiterbauelementen verbundene Wärmeentwicklung ist ein wichtiges Thema, weshalb Keramiksubstrate aus Aluminiumoxid mit hohen Wärmeableitungseigenschaften verwendet werden. Dies reicht jedoch nicht immer aus, um die hohen Anforderungen der letzten Jahre zu erfüllen. In den letzten Jahren haben Aluminiumnitrid und Siliziumkarbid als neue keramische Werkstoffe für Halbleitergehäuse Aufmerksamkeit erregt und die Keramiksubstrate aus Aluminiumoxid ersetzt.
Aluminiumnitrid ist kein natürliches keramisches Material und hat eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit mit einem theoretischen Wert von 320 W/m-K. In der Realität haben Verbesserungen bei den Rohstoffen, der Auswahl der Sinterhilfsmittel und den Sinterbedingungen dazu geführt, dass in der Praxis eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 180 W/m-K erreicht wird.
In der Siliziumkarbidkeramik hat sich gezeigt, dass Berylliumoxid, wenn es als Sinterhilfsmittel verwendet wird, als Isolator mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden kann und es hat als Substratmaterial Beachtung gefunden.