Keramik-Leiterplatten

Keramiksubstrate werden dort eingesetzt, wo das Laminat der begrenzende Teil des Designs ist: ein Leistungsmodul, das seine eigenen Verluste abführen muss, ein Laser- oder HF-Treiber, der so schnell schaltet, dass er seine Platine erwärmt, ein Sensor, der nach hundert Temperaturzyklen noch isolieren soll. Keramik trägt die Wärme und die Spannung, die FR-4 nicht trägt, und Hitech Circuits fertigt diese Substrate in Shenzhen neben den Starr-, Flex- und Metallkernlinien.

Warum Keramik statt FR-4

• Wärme — Aluminiumoxid liegt bei 20–51 W/m·K und Aluminiumnitrid bei 120–220 W/m·K, gegenüber etwa 0,3 W/m·K bei FR-4, sodass das Substrat die Wärme verteilt und zugleich die Schaltung trägt.
• Spannung — die Durchschlagfestigkeit beträgt 15, 20 oder 28 kV/mm bei 0,25, 0,63 und 1,0 mm Dicke, damit hält ein dünnes Stück eine hohe Betriebsspannung aus.
• Temperatur — Bauteile sehen −55 bis 850 °C, weit über der Glasübergangstemperatur jedes Laminats.
• Ausdehnung — 7,4 ppm/K zwischen 50 und 200 °C liegt nahe an der Ausdehnung von Silizium und der meisten Gehäusematerialien, was die Lötstellenbelastung auf einem großen Die niedrig hält.
• Stabilität — Keramik nimmt fast keine Feuchte auf, ihre dielektrischen Eigenschaften überstehen daher feuchte Produktionsbedingungen und wiederholtes Löten.

Verfahren und Materialien

Direct-Copper-Bonded-Substrate sind die übliche Wahl für Leistung: eine Kupferfolie wird bei hoher Temperatur mit der Keramik verbunden und danach geätzt, was dickes Kupfer auf einer gebundenen Grenzfläche ergibt. Dünnfilm- und Dickfilmsubstrate werden verwendet, wo Leiter und Widerstände gedruckt oder abgeschieden werden und die Kantenschärfe wichtiger ist als das Kupfergewicht; ihre Leiter bestehen aus AgPd oder AuPd, während DCB nur Kupfer nutzt.

Aluminiumoxid ist das Standardmaterial, mit 96 % und 98 % auf Lager; Aluminiumnitrid wird gewählt, wenn die Wärmeleitfähigkeit das Design entscheidet, Berylliumoxid, wo die höchste Leitfähigkeit nötig ist. Die regulären Lagerdicken reichen von 0,25 mm bis 2,0 mm in Formaten bis 130 × 140 mm, dickere und größere Stücke werden kundenspezifisch gefertigt, und der größte gefertigte Aluminiumoxid-Nutzen misst 300 × 300 mm — die Größentabellen stehen auf der Kapazitätsseite.

Ist Keramik das richtige Substrat für diese Schaltung?

Keramik rechtfertigt ihren Preis nur dort, wo das Substrat selbst Wärme durch eine dünne Isolierschicht führen muss:

• Wenn eine Metallkernplatine reicht — gehen die Verluste über eine Kupferfläche und ein Vialfeld ins Gehäuse, ist eine Aluminium-Metallkernplatine günstiger, in größeren Nutzen lieferbar und nimmt Konturen auf, die gebrannte Keramik nicht hergibt.
• Wenn das Dielektrikum die Grenze ist — ein isolierter nackter Chip oder ein gedrucktes Widerstandsnetzwerk schließt Laminat und Metallkernstapel aus, weil dort das Polymer isoliert und nicht das Substrat.
• Wenn die Leitfähigkeit die Sorte bestimmt — Aluminiumoxid ist der Standard: am günstigsten zu brennen und für Dünn- wie Dickfilmleiter geeignet. Aluminiumnitrid wird gewählt, wenn der Chip nicht durch Aluminiumoxid gekühlt werden kann, Berylliumoxid bleibt für Bauteile, bei denen keine der beiden anderen Sorten besteht.
• Wenn das Verfahren das Kupfer bestimmt — eine Struktur, die Strom führt, braucht das gebundene Kupfer des DCB; ein Bauteil mit gedruckten Widerständen oder feinerer Linienführung als geätzte Folie gehört in Dünn- oder Dickfilm.

Wo Keramikplatinen eingesetzt werden

Leistungsmodule und IGBT-Stapel, Hochleistungs-LED- und Laserengines, HF- und Mikrowellenstufen, Sensoren für die Medizintechnik, die sterilisierbar sein müssen, und Automobil-Leistungselektronik, die direkt an der Wärmequelle sitzt. Wo die Frequenz und nicht die Temperatur das Problem ist, ist meist eine Hochfrequenz-Leiterplatte auf Rogers-, Arlon-, Taconic- oder Nelco-Laminat die günstigere Antwort; Keramik wird nötig, wenn beide Anforderungen zusammenkommen.

Wo ein Keramiksubstrat im Betrieb ausfällt

Die Bauteile, die wir untersuchen sollen, fallen an der Bestückung und an der Kontur aus, nicht in der Schaltung:

• Risse an einem Befestigungspunkt — Keramik kennt keine Streckgrenze, deshalb startet ein Schraubdom oder eine federnde Klemme einen Riss am Lochrand; Befestigungslöcher aus dem belasteten Bereich heraushalten, eine Unterlegscheibe vorsehen und das Substrat nie das Gehäuse aussteifen lassen.
• Delamination an der DCB-Grenzfläche — Kupfer und Keramik dehnen sich unterschiedlich aus, deshalb löst sich eine einzelne große Kupferfläche nach wiederholten Zyklen vom Rand her; das Kupfer in ein Gitter oder in Segmente aufteilen, statt es für die Anordnung zusammenzuhalten.
• Kriechweg entlang einer Schnittkante — Laserritzen und mechanisches Trennen lassen den Leiter näher an der Kante liegen, als es die Filme zeigen; an der Kontur eine Freihaltezone vorsehen und die Struktur darin platzieren.
• Mikrorisse aus der Kontur — eine innere scharfe Ecke bündelt die Spannung jedes Temperaturzyklus; Ecken in der Zeichnung verrunden und das Vereinzeln dem Radius folgen lassen, nicht dem Fräser.

Angebot erhalten

Senden Sie die Gerber- oder DXF-Daten mit Keramikmaterial, Verfahren, Kupferdicke, Stückgröße und Stückzahl. Da der Leiter bei Dünn- und Dickfilmteilen abgeschieden und nicht geätzt wird, werden Artwork und Toleranzen im DFM geprüft, bevor das Angebot festgeschrieben wird; die ausgestellten Zertifikate stehen auf der Zertifikatsseite.

Keramikbestückung — SMT und Durchsteck auf Al₂O₃-, AlN- und BeO-Substraten — wird zusammen mit der Fertigung auf der Seite PCB-Bestückung kalkuliert, in China gefertigte Platinen auf der Seite PCB-Bestückung in China.