Aluminiumoxid-Leiterplatten verbessern das Wärmemanagement in der Elektronik

In Branchen, in denen hohe Temperaturen, hohe Frequenzen und raue Bedingungen die Norm sind, schiessen herkömmliche Leiterplatten (PCBs) oft zu kurz. Alumina (Al ₂ O ₃ ) Keramik-Leiterplatten haben sich als überlegene Alternative herauskristallisiert und bieten aussergewöhnliche thermische, elektrische und mechanische Eigenschaften. Mit einer Zusammensetzung von 96 % Aluminiumoxid werden diese Keramiksubstrate zunehmend in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, von der LED-Beleuchtung bis hin zu medizinischen Geräten.

Aluminiumoxid 96 % Keramik ist das am häufigsten verwendete Material für Keramik-Leiterplatten und -Gehäuse, da es eine ausgewogene Leistung und Wirtschaftlichkeit bietet. Zu seinen bemerkenswerten Eigenschaften gehören:

• Wärmemanagement: Mit einer Wärmeleitfähigkeit von 22–24 W/mK leitet Aluminiumoxid Wärme effizient ab oder ermöglicht eine gleichmäßige Erwärmung, was für Leistungselektronik und Hochleistungs-LEDs entscheidend ist.
• Hochfrequenzkompatibilität: Ein niedriger Dielektrizitätskonstante (9,8 bei 1 MHz) und minimale dielektrische Verluste gewährleisten die Signalintegrität in HF- und Mikrowellenanwendungen.
• Mechanische Robustheit: Eine Biegefestigkeit von 400 MPa und nahezu keine Wasseraufnahme (0 %) machen es ideal für raue Umgebungen und hermetische Gehäuse.
• Thermische Stabilität: Funktioniert bis zu 350 °C mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (6–8 ppm/°C), wodurch die Belastung der Lötstellen reduziert wird.

Die Vielseitigkeit von Alumina-Leiterplatten ermöglicht ihren Einsatz in Spezialgebieten:

• LED-Beleuchtung: Hohe Reflektivität (94 %) und Wärmeableitung verbessern die Leuchtkraft und Langlebigkeit.
• Medizinische Elektronik: Biokompatibilität und Zuverlässigkeit erfüllen strenge Sicherheitsstandards für implantierbare und diagnostische Geräte.
• Leistungselektronik: Verarbeitet hohe Stromdichten in Motorantrieben und Leistungswandlern.
• Luft- und Raumfahrt sowie Automobilindustrie: Hält Vibrationen, Temperaturwechseln und korrosiven Umgebungen stand.

Zwei Hauptmethoden werden zur Metallisierung von Aluminiumoxid-Substraten eingesetzt:

• Dickschichtdruck: Verwendet Silberpasten (Ag), geeignet für Mehrschichtdesigns und Hochtemperaturanwendungen.
• Direktbeschichtetes Kupfer (DPC): Elektroplattiert Kupfer (Cu) für überlegene Leitfähigkeit, bevorzugt für Hochleistungs- und Hochfrequenzschaltungen.

Oberflächenveredelungen wie ENIG (stromloses Nickel-Immersionsgold) oder glasbasierte Lötstoppmasken verbessern die Haltbarkeit zusätzlich, insbesondere in schwefelreichen Umgebungen.

Obwohl Alumina-Leiterplatten Gemeinsamkeiten mit herkömmlichen FR4-Platinen aufweisen, müssen Konstrukteure Folgendes berücksichtigen:

• Fehlanpassung der Wärmeausdehnung: Stellen Sie sicher, dass die Materialien für die angebrachten Komponenten kompatibel sind, um Risse zu vermeiden.
• Schichtbeschränkungen: Standardprozesse unterstützen bis zu 4 Schichten, obwohl erweiterte Techniken möglicherweise mehr zulassen.
• Plattengröße: Typische Produktionsplatten erreichen maximal 180 × 180 mm (7 × 7 Zoll).

Obwohl Alumina-Leiterplatten teurer sind als FR4, übertreffen sie Metallkernalternativen (z. B. IMS) in integrierten Designs. Durch die Eliminierung der thermischen Barriere von dielektrischen Schichten in Metallkern-Leiterplatten erreicht Aluminiumoxid einen geringeren Gesamtwärmewiderstand trotz seiner bescheidenen Leitfähigkeit.

Für kostenempfindliche Projekte kann die Minimierung der Platinengröße und die Nutzung von Integrationsmöglichkeiten (z. B. eingebettete Komponenten) die Materialkosten ausgleichen.