Wird ein FR-4-Layout auf ein Keramiksubstrat übertragen, ändert sich an der Schaltung meist wenig. Die Fertigungsdaten ändern sich dagegen deutlich. Gefräste Konturen, mechanisches Bohren, V-Ritzen und Mehrlagenverpressung sind auf Keramik entweder nicht möglich oder werden durch andere Verfahren ersetzt. Gerber-Daten nach FR-4-Gewohnheit führen meist zu mehreren Runden technischer Rückfragen, oder Kontur und Bohrungen werden nach den Standardwerten des Herstellers angepasst.
Dieser Beitrag beantwortet eine Frage: Welche Parameter in den Designdaten einer Keramik-Leiterplatte müssen neu geschrieben werden, und welche sind vor der Freigabe mit dem Hersteller abzustimmen? Die Werkstoff- und Verfahrenswahl (Al2O3 oder AlN, DPC oder DBC) behandelt der Beitrag Keramik-Leiterplatten: Werkstoffe und DPC/DBC-Verfahren. Lochherstellung und Vereinzelung im Detail beschreibt Lochbildung und Vereinzelung bei Keramiksubstraten.
Zuerst zwei Entscheidungen: Substrat und Metallisierung
Designregeln für Keramik sind keine allgemeingültige Tabelle. Zwei Entscheidungen legen sie fest:
- Substrat: Al2O3 (Aluminiumoxid) oder AlN (Aluminiumnitrid); die SKPCB-Produktseite nennt zusätzlich Si3N4. Das Substrat bestimmt verfügbare Dicken, thermisches Verhalten und Sprödigkeit.
- Metallisierung: DPC (Direct Plated Copper: gesputterte Startschicht, galvanische Verstärkung, fotolithografische Strukturierung) oder DBC (Direct Bonded Copper: Kupferfolie wird bei hoher Temperatur mit der Keramik verbunden und anschließend geätzt).
Eine Leiterbreite und ein Abstand, die bei DPC unkritisch sind, können bei dickem DBC-Kupfer unmöglich sein. Die erste Zeile der Fertigungshinweise sollte daher Substrat, Metallisierungsverfahren und Kupferdicke nennen. Ohne diese Angabe hat keine andere Regel einen Bezug.
Kontur: kein Fräser, nur Laser
Bei FR-4 ist die Kontur ein Fräsweg, Innenradien folgen dem Fräserdurchmesser, und Sonderformen kosten wenig extra. Gesinterte Keramik ist hart und spröde. Konturen werden meist lasergeritzt und gebrochen oder per Laser durchtrennt. Daraus folgen geänderte Designvorgaben:
- Im Konturlayer zwischen Ritzen und Durchtrennen unterscheiden. Ritzlinien verlaufen gerade von Kante zu Kante und eignen sich für rechteckige Einzelteile. Bögen, Aussparungen und Innenausschnitte erfordern Laserschnitt und dauern länger.
- Innenradien angeben. Eine scharfe Innenecke ist auf Keramik ein Rissausgangspunkt. Die Radiusanforderung gehört in die Zeichnung, statt einen Fräser-Standardwert zu übernehmen.
- Kupfer von der Kante zurücksetzen. Geritzte und gebrochene Kanten sind weniger sauber als gefräste. Kupfer an der Kante kann beim Vereinzeln ausbrechen oder sich ablösen. Den Rücksprung mit dem Hersteller abstimmen, nicht den FR-4-Wert übernehmen.
- Dicke aus dem Standardsortiment wählen. Keramiksubstrate werden in festen Dicken geliefert; eine beliebige Dicke über Prepreg-Kombinationen wie bei FR-4 gibt es nicht. Erst die verfügbare Dickenliste anfragen, dann die Mechanik festlegen.
Bohrungen: Laserbohrungen sind konisch, DBC hat meist keine Durchkontaktierungen
Bei FR-4 ist eine Bohrung das billigste Element. Auf Keramik werden Löcher vor dem Sintern geformt oder danach gelasert, und beide Wege sind enger begrenzt als mechanisches Bohren.
- Der Lochdurchmesser hat eine Untergrenze im Verhältnis zur Dicke. Laserbohrungen sind konisch: am Eintritt größer, am Austritt kleiner. In Bohrdatei oder Zeichnung angeben, ob der Durchmesser für Eintritt oder Austritt gilt.
- DPC-Durchkontaktierungen werden galvanisch gefüllt. Ob vollständig gefüllt oder nur die Wand metallisiert und ob die Oberfläche plan sein muss, entscheidet, ob ein Pad darauf sitzen kann. Das gehört in die Daten.
- DBC hat in der Regel keine metallisierten Durchkontaktierungen. Die beiden Kupferseiten sind unabhängig. Verbindet das FR-4-Design Ober- und Unterseite über Vias, braucht die DBC-Version einseitige Entflechtung oder einen Wechsel zu DPC.
- Befestigungs- und Formbohrungen werden gelasert und haben dasselbe Ausbruchrisiko. Abstände Loch–Kupfer und Loch–Kante sind auf die vom Hersteller bestätigten Werte zu vergrößern.
Leiterbahnen: Breite und Abstand folgen der Kupferdicke
Bei FR-4 legen die meisten zuerst Leiterbreite und Abstand fest und wählen dann 35 µm oder 70 µm Kupfer. Bei Keramik ist die Reihenfolge umgekehrt: zuerst die Kupferdicke, dann die dafür mögliche minimale Breite und der minimale Abstand.
- DPC: Kupfer wird galvanisch aufgebaut und fotolithografisch strukturiert, daher eignet es sich für feine Strukturen. Dickeres Kupfer bedeutet mehr Unterätzung und mehr Breitenabweichung.
- DBC: Die Folie ist von Beginn an dick und wird geätzt; der minimale Abstand hängt direkt von der Kupferdicke ab. Die Feinleiterfähigkeit ist deutlich geringer als bei DPC. DBC eignet sich für Hochstrom-Leistungskreise, nicht für dichte Signalentflechtung.
- Große Kupferflächen brauchen eine Entlastungsregel. Kupfer und Keramik dehnen sich sehr unterschiedlich aus; eine geschlossene Kupferfläche belastet die Keramik bei Temperaturwechseln. Mit dem Hersteller klären, ob Flächen segmentiert und Kupferflächen oben und unten ausgeglichen werden sollen.
Konkrete Werte für Breite und Abstand ergeben sich aus der Fertigungsfähigkeit für Substrat, Verfahren und Kupferdicke. Kritische Netze (Hochstrompfade, Bondbereiche, Feinleiterzonen) in den Daten gesondert kennzeichnen, damit der Hersteller sie einzeln prüfen kann.
Lagenzahl und Oberfläche
- Lagenzahl: FR-4 löst Entflechtungsdichte über Mehrlagenverpressung. Standard-Keramikleiterplatten in DPC/DBC sind meist ein- oder doppelseitig. Hat das ursprüngliche Design vier oder mehr Lagen, zuerst prüfen, ob es auf zwei Seiten reduziert werden kann oder ob ein anderes Substrat besser passt.
- Lötstopplack: Keramikleiterplatten haben oft keinen oder nur lokalen Lötstopplack. Feinpitch-Pads, die Lötstopplack gegen Brückenbildung brauchen, erfordern eine Machbarkeitsprüfung zu Lack, Farbe und Dicke.
- Oberfläche: Drahtbonden (Gold oder Aluminium), Löten und Silbersintern stellen jeweils eigene Anforderungen. Die Oberfläche nach Bereich festlegen, etwa „Bondbereich / Lötbereich“, statt eine Oberfläche für die ganze Platte.
Nutzen: kein V-Ritzen, Stege neu planen
FR-4-Nutzen verwenden meist V-Ritzen oder Stege mit Perforation. Keramik kennt kein V-Ritzen. Alternativen sind Laserritzen und Brechen oder Laserschnitt mit Haltestegen.
- Der Abstand zwischen Einzelteilen muss Ritzlinie oder Schnittfuge berücksichtigen. Lückenlose V-Ritz-Nutzen aus FR-4 lassen sich nicht übertragen.
- Ränder, Aufnahmebohrungen und Passermarken werden auf dem Keramik-Grundformat neu angeordnet; dessen Größe bestimmt das angelieferte Substratformat.
- Muss der ganze Nutzen vor dem Vereinzeln durch das Reflow-Löten, ist das anzugeben. Der Hersteller wählt danach Ritztiefe oder Stegart.
Datencheckliste für den Hersteller
| Punkt | FR-4-Gewohnheit | Ergänzung für Keramik-Leiterplatte |
|---|---|---|
| Werkstoff | Laminattyp + Dicke | Substrat (Al2O3/AlN) + Metallisierung (DPC/DBC) + Kupferdicke |
| Kontur | Fräsweg | Ritzen vs. Durchtrennen, Innenradien, Abstand Kupfer–Kante |
| Bohrungen | Bohrtabelle | Durchmesser Eintritt/Austritt, gefüllt oder nicht, Abstand Loch–Kante |
| Leiterbahnen | Breite/Abstand | gegen Kupferdicke geprüfte Mindestwerte, Flächenentlastung |
| Oberfläche | eine Oberfläche | Oberfläche je Bereich: Bonden / Löten |
| Nutzen | V-Ritzen / Stege | Ritz- oder Fugenabstand, Grundformat, Zeitpunkt der Vereinzelung |
Die Tabelle kann direkt dem Anfragepaket beigelegt werden. Je vollständiger sie ist, desto weniger technische Rückfragen entstehen.
Keramik-Leiterplatten bei SKPCB
Die SKPCB-Produktseite für Keramik-Leiterplatten nennt die verfügbaren Substrate Al2O3, AlN und Si3N4. Dicke, Leiterbreite/Abstand und Bohrfähigkeit werden je Projekt in der technischen Prüfung bestätigt. Gerber-Daten mit den obigen Angaben über die Angebotsseite senden, um die Prüfung zu starten.
Zusammenfassung
Beim Wechsel von FR-4 auf Keramik bleibt die Schaltung meist gleich, die Fertigungsdaten ändern sich: Konturen werden für Laserbearbeitung beschrieben, Bohrungen nach Konizität und Füllung neu definiert, Leiterbreiten gegen die Kupferdicke geprüft, und V-Ritzen entfällt. Stehen Substrat, Metallisierung und Kupferdicke in der ersten Zeile, hat jeder weitere Parameter einen Bezug.
Interne Links
- Keramik-Leiterplatte
- Angebot
- Materialien
- Keramik-Leiterplatten: Werkstoffe und DPC/DBC-Verfahren
- Lochbildung und Vereinzelung bei Keramiksubstraten
- Haftfestigkeit der Keramik-Metallisierung prüfen
- Leitfaden Keramiksubstrat-Leiterplatte
FAQ
F: Können FR-4-Gerber-Daten direkt für eine Keramik-Leiterplatte verwendet werden?
A: Die Kupferlagen lassen sich meist übernehmen. Kontur, Bohrdaten, Nutzen und Oberfläche müssen für das Keramikverfahren ergänzt werden. Sonst kann der Hersteller nur seine Standardwerte anwenden.
F: Ändert die Wahl von DPC oder DBC die Designregeln stark?
A: Ja. DPC eignet sich für Feinleiter und Durchkontaktierungen; DBC für dickes Kupfer und hohe Ströme, hat aber geringere Feinleiterfähigkeit und meist keine metallisierten Vias. Erst das Verfahren wählen, dann die Regeln.
F: Sind nicht rechteckige Konturen möglich?
A: Ja, per Laserschnitt. Gerade Rechteckkonturen lassen sich ritzen und brechen, was einfacher ist. Sonderformen dauern länger, Innenecken brauchen Radien.
F: Gibt es mehrlagige Keramik-Leiterplatten?
A: Standard-DPC/DBC-Platten sind meist ein- oder doppelseitig. Mehrlagige Anforderungen sind gesondert mit dem Hersteller zu bewerten.
F: Braucht eine Keramik-Leiterplatte Lötstopplack?
A: Viele Keramikplatten haben keinen oder nur lokalen Lötstopplack. Designs, die Lack zwischen Feinpitch-Pads benötigen, sollten die Machbarkeit vorher klären.
F: Welche Angaben braucht ein Angebot mindestens?
A: Substrat, Metallisierungsverfahren, Kupferdicke, Plattendicke, Konturverfahren, Bohrungsdefinition, Oberfläche je Bereich und Nutzenart. Die Tabelle oben dient als Checkliste.