Haben Sie sich schon einmal gefragt, wie leistungsstarke Elektronik reibungslos funktioniert und dabei kühl bleibt? Das Geheimnis liegt möglicherweise in Keramiksubstraten. Diese unscheinbaren Materialien bieten hervorragendes Wärmemanagement, elektrische Isolierung und Robustheit, was sie in allen Bereichen von Leistungselektronik bis hin zu LED-Beleuchtung unverzichtbar macht. Erfahren Sie, wie Keramik die Leistung und Lebensdauer von Geräten beschleunigt und verbessert und wie sie die Technologie in Alltagsgegenständen verändert.
⇒ Checklist
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Was ist ein Keramiksubstrat?
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Im Keramiksubstrat verwendete Materialien?
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Anwendungen von Keramiksubstraten?
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Vorteile von Keramiksubstraten?
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Einschränkungen bei Keramiksubstraten?
1) Was ist ein Keramiksubstrat?
„Ein Keramiksubstrat ist genau das Richtige für die Arbeit mit Elektronik, die viel Wärme erzeugt – es bietet Hitzebeständigkeit und Isolierung.“
Zunächst ist zu beachten, dass Keramiksubstrate aufgrund ihrer hohen Hitzebeständigkeit eine gute Basis für elektronische Geräte darstellen. Steigt die Temperatur elektronischer Bauteile, leitet das Keramiksubstrat die Wärme dank seiner guten Wärmeleitfähigkeit (manche erreichen sogar bis zu 200 W/mK) ab und nutzt sie optimal. Dies stellt sicher, dass Ihre Komponenten nicht überhitzen und einwandfrei funktionieren.
Sie bieten außerdem eine hervorragende Isolierung und verhindern, dass elektrischer Strom durch die Basis fließt und einen Kurzschluss verursacht. Sie mögen zwar etwas teuer sein, aber angesichts ihrer Robustheit und Zuverlässigkeit sind sie unerlässlich, wenn Standardmaterialien nicht ausreichen, um die Kühlung, Stabilisierung und den Schutz aller Komponenten Ihrer Elektronik sicherzustellen.
⇒ Historischer Überblick
Die Verwendung keramischer Substrate begann etwa Mitte des 20. Jahrhunderts, wobei der Metallurge Paul B. de Niverville maßgeblichen Beitrag leistete, der in den 1950er Jahren mit der Verwendung von Aluminiumoxidsubstraten (Al₂O₃) in elektrischen Anwendungen begonnen hatte.
In den 1960er und 1970er Jahren kam es zu einer Expansion, als Alfred L. Hazen und andere Forscher den Einsatz von Keramik in der Leistungselektronik verstärkten, was die Verwendung von Materialien wie Aluminiumoxid zur Erzielung von Wärme- und Isoliereigenschaften verbesserte.
In den 1980er Jahren modifizierten James E. Mayer et al. Aluminiumnitrid (AlN)-Keramiksubstrate aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit erheblich. In den 90er Jahren fand Keramik Anwendung in Branchen wie der Automobilindustrie, der Medizintechnik und der Telekommunikation. Heute ist sie aufgrund verbesserter Materialeigenschaften und Fertigungsverfahren in der Leistungselektronik, der LED-Beleuchtung und der Mikroelektronik unverzichtbar.
2) Welche Materialien werden im Keramiksubstrat verwendet?
Bei Keramiksubstraten werden grundsätzlich vier Materialarten verwendet;
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Aluminiumoxid (Al₂O₃)
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Aluminiumnitrid (AlN)
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Berylliumoxid (BeO)
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Siliziumnitrid (Si₃N₄)
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Aluminiumoxid (Al₂O₃) |
Aluminiumnitrid (AlN) |
Berylliumoxid (BeO) |
Siliziumnitrid (Si₃N₄) |
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Wärmeleitfähigkeit |
20–30 W/mK |
170–200 W/mK |
200–300 W/mK |
30–150 W/mK |
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Elektrischer Widerstand |
~10¹² Ohm·cm |
~10¹⁴ Ohm·cm |
~10¹⁶ Ohm·cm |
~10¹⁶ Ohm·cm |
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Temperaturbeständigkeit |
Bis 1.600 °C |
Bis 1.800 °C |
Bis 2.000 °C |
Bis 1.400 °C |
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Mechanische Festigkeit |
Hoch (350–400 MPa) |
Hoch (200–300 MPa) |
Sehr hoch (600–700 MPa) |
Sehr hoch (900–1.000 MPa) |
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Durchschlagsfestigkeit |
~15–20 kV/mm |
~10–12 kV/mm |
~18–20 kV/mm |
~15–18 kV/mm |
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Kosten |
Niedrig |
Mäßig |
Hoch |
Mäßig |
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Bruchzähigkeit |
Mäßig (4–5 MPa·m¹/²) |
Mäßig (3–4 MPa·m¹/²) |
Niedrig (1–2 MPa·m¹/²) |
Hoch (6–7 MPa·m¹/²) |
3) Anwendungen von Keramiksubstraten?
- Industrieelektronik: Aufgrund ihrer Wärmeisolierung und Zähigkeit werden Keramiksubstrate häufig in Hochleistungsindustriegeräten wie Motorsteuerungen und Schweißgeräten verwendet.
- Erneuerbare Energien: In Stromrichtern und Steuereinheiten von Solarmodulen und Windturbinen werden Keramiksubstrate integriert, um ein effektives Wärmemanagement innerhalb der Energieumwandlungsvorrichtung zu gewährleisten.
- Hochfrequenzgeräte: Für HF-Schaltungen, insbesondere Antennen und Mikrowellenkommunikationssysteme, sind Keramiksubstrate aufgrund ihrer geringen Verluste und Stabilität bei hohen Frequenzen geeignete Materialien.
- Elektrofahrzeuge (EVs): In Batterien und Ladestationen für Elektrofahrzeuge unterstützen keramische PCB-Substrate die Wärmeableitung und sorgen für eine elektrische Isolierung, die eine effektive Energieübertragung und Sicherheit gewährleistet.
- Unterhaltungselektronik: Keramiksubstrate verstärken Kondensatoren und Induktoren, die in Smartphones, Laptops und Fernsehern eingesetzt werden, um die Leistung und Wärmekontrolle zu verbessern.
- Verteidigung und Militär: Keramische Leiterplatten werden in modernen Radar-, Kommunikations- und Raketensystemen verbaut, die dann zum Einsatz kommen, wenn Leistung, Haltbarkeit und thermische Stabilität die wichtigsten Anforderungen sind.
- Wärmetauscher: Aufgrund ihrer strukturellen Widerstandsfähigkeit gegenüber abrasiven Umgebungen mit hohen Temperaturen und Korrosion werden Keramiksubstrate auch in Wärmetauschern für industrielle Anwendungen eingesetzt.
- Lichttechnik: Abgesehen von LEDs werden keramische PCB-Substrate in Beleuchtungssysteme wie Halogenlampen und andere Beleuchtungsgeräte integriert, um eine effektive Wärmeableitung zu gewährleisten.
4) Vorteile von Keramiksubstraten?
+ Kompaktes Design: Ermöglicht platzsparende Layouts durch die Verwendung elektronischer Schaltkreise in höherer Dichte.
+ Elektrische Isolierung: Die elektrische Nutzung ist sicher bei einem spezifischen Widerstand im Bereich von 10^12 bis 10^16 Ohm cm.
+ Haltbarkeit: Diese Materialien haben eine mechanische Festigkeit zwischen 350 und 400 MPa und bieten eine anatomische Unempfindlichkeit gegenüber Verschleiß und korrosiven Einflüssen.
+ Hohe Wärmeleitfähigkeit: Erreicht Wärmeleitfähigkeitswerte von etwa 200 W/mK und weist damit ein erhebliches Potenzial für die Wärmeübertragung auf.
+ Hochtemperaturbeständigkeit: Kann problemlos in Bereichen mit hoher Hitze eingesetzt werden, da die Obergrenze bei 2.000 Grad Celsius liegen kann.
+ Geringe Wärmeausdehnung: Um Temperaturschwankungen standzuhalten, weisen sie einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wodurch sie nicht reißen.
+ Umweltverträglich: Die meisten in der Elektronik verwendeten Keramikmaterialien sind wenig toxisch und umweltfreundlicher als andere Materialien.
+ Zuverlässigkeit im Laufe der Zeit: Keramische Substrate zeigen selbst unter drastischen Bedingungen wie Temperaturunterschieden ein gleichbleibendes Verhalten. Dadurch wird die Lebensdauer elektronischer Geräte erhöht.
+ Chemische Beständigkeit: Da Keramiksubstrate keine organischen Stoffe enthalten, weisen sie eine hohe Beständigkeit gegen chemische Korrosion und Umwelteinflüsse auf, was die Zuverlässigkeit unter rauen Bedingungen erhöht.
5) Einschränkungen bei Keramiksubstraten?
- Sprödigkeit: Trotz ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit können spröde Keramiksubstrate unter Krafteinwirkung leicht brechen. Ihre Bruchzähigkeit liegt bei schätzungsweise 4–5 MPa·m¹/² und ist damit deutlich geringer als bei Metallen.
– Hohe Kosten: Die Stückkosten für Keramiksubstrate sind im Allgemeinen höher als bei anderen Optionen/Substraten, sie können bis zum 3- bis 4-fachen des Preises für andere Materialien betragen.
– Verarbeitungskomplexität: Zu den Herausforderungen bei der Herstellung keramischer Substrate gehört die Notwendigkeit hoher Zellverarbeitungstemperaturen im Bereich von etwa 1500–1600 °C.
– Mangelnde Flexibilität: Keramik ist hart und eignet sich nicht für Fälle, in denen Keramik gebogen oder gebeugt werden muss.
– Handhabungsrisiken: Aufgrund ihrer Toxizität gelten einige Keramiken als gefährlich und dürfen nur mit Vorsicht gehandhabt werden.
– Gewicht: Ihre hohe Dichte von etwa 3,95 g/cm³ ist bei Leichtbaukonstruktionen aufgrund ihres hohen Gewichts nachteilig.
– Geringe Wärmeschockbeständigkeit: Kommt es aufgrund der geringen Thermoschockbeständigkeit zu einem plötzlichen Temperaturwechsel, kann es zu Riss- oder Bruchbildung kommen.
– Produktionskosten und die Zeit wird erheblich erhöht, da Keramik sehr schwer zu bearbeiten ist und hierfür Spezialwerkzeuge erforderlich sind.
Abschluss
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Keramiksubstrate entscheidend zur Verbesserung der Leistung, Langlebigkeit und Effizienz Ihrer elektronischen Geräte beitragen. Ihre hervorragende thermische Stabilität und elektrische Isolierung sowie ihre Fähigkeit, unter extremen Bedingungen zu funktionieren, machen sie in der Leistungselektronik, bei LEDs und in der Halbleiterindustrie unverzichtbar.
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