# Keramiksubstrat-Leiterplatten: Leitfaden zu Al2O3, AlN und Si3N4
Bei Hochleistungsmodulen, IGBTs, HF-/Mikrowellentechnik und Automobilelektronik haben Standard-FR4 und selbst Metallkern-Leiterplatten Mühe, gleichzeitig hohe Wärmeleitfähigkeit, starke Isolierung und niedrige Wärmeausdehnung zu bieten. Keramiksubstrat-Leiterplatten vereinen hervorragende Wärmeleitfähigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) nahe dem des Silizium-Chips und sind damit die erste Wahl für hochzuverlässige Leistungselektronik. Mit über 15 Jahren Erfahrung in der Leiterplattenfertigung verfügt Sunking PCB (skpcb.com) über umfangreiches Know-how bei der Auswahl und Fertigung von Keramiksubstraten. Dieser Leitfaden vergleicht die drei gängigen Keramikmaterialien: Al2O3 (Aluminiumoxid), AlN (Aluminiumnitrid) und Si3N4 (Siliziumnitrid).
Vergleich der drei Keramikmaterialien
Die zentralen Unterschiede zwischen Keramiksubstraten ergeben sich aus Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE), mechanischer Festigkeit und Kosten des Materials:
| Material | Wärmeleitfähigkeit | CTE (ppm/°C) | Mechanische Festigkeit | Relative Kosten |
|---|---|---|---|---|
| Al2O3 (Aluminiumoxid) | ~24 W/m·K | ~7 | mittel | niedrig |
| AlN (Aluminiumnitrid) | ~170–230 W/m·K | ~4.5 | mittel | hoch |
| Si3N4 (Siliziumnitrid) | ~70–90 W/m·K | ~3 | sehr hoch | hoch |
- Al2O3 (Aluminiumoxid): am weitesten verbreitet und am kostengünstigsten, mit moderater Wärmeleitfähigkeit, geeignet für die meisten Anwendungen im mittleren Leistungsbereich.
- AlN (Aluminiumnitrid): herausragende Wärmeleitfähigkeit und ein CTE nahe Silizium, ideal für Leistungsbauteile mit hoher Wärmestromdichte, jedoch teurer.
- Si3N4 (Siliziumnitrid): mittlere bis hohe Wärmeleitfähigkeit, aber die beste mechanische Festigkeit und Bruchzähigkeit, hervorragend für große Temperaturwechsel und hochzuverlässige Automobil-/EV-Anwendungen.
Gängige Fertigungsprozesse für Keramiksubstrate
Die Leistung eines Keramiksubstrats hängt nicht nur von der Keramik selbst ab, sondern auch vom Metallisierungsprozess:
- DBC (Direct Bonded Copper): verbindet Kupferfolie bei hoher Temperatur direkt mit der Keramik (meist Al2O3 oder AlN). Die hohe Stromtragfähigkeit macht es zum Standardprozess für IGBT-Module.
- DPC (Direct Plated Copper): nutzt Dünnschicht-Sputtern plus Galvanik für feine, hochpräzise Leiterbahnen, geeignet für miniaturisierte, hochdichte Gehäuse.
- AMB (Active Metal Brazing): verbindet Kupfer mit einem aktiven Lot fest mit der Keramik und ergibt hohe Verbundfestigkeit und Zuverlässigkeit, besonders passend für Si3N4-Substrate und Anwendungen mit großen Temperaturwechseln.
- Dickschicht (Thick-Film): druckt und brennt leitfähige/resistive Pasten, geeignet für Hybridschaltungen und kostensensitive Leistungsanwendungen.
Typische Anwendungsbereiche
- Hochleistungsmodule und IGBTs: DBC/AMB-Keramiksubstrate bewältigen hohen Strom und hohe Temperatur mit stabiler Wärmeableitung.
- HF/Mikrowelle: geringe Verluste und stabiles dielektrisches Verhalten eignen sich für Hochfrequenzschaltungen.
- Automobil und neue Energien (EV): Automotive-Leistungsmodule legen Wert auf Temperaturwechsel-Zuverlässigkeit, wo Si3N4 mit AMB einen klaren Vorteil hat.
- Hochleistungs-LEDs: hochleitfähige Keramiken senken die Sperrschichttemperatur deutlich und verlängern die Lebensdauer.
Vor- und Nachteile
Vorteile:
- Wärmeleitfähigkeit weit über FR4, wodurch eine starke Wärmeableitung erreicht wird.
- CTE nahe dem Chip, was thermische Spannungen reduziert und die Zuverlässigkeit verbessert.
- Hochtemperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und gute Isolierung für raue Umgebungen.
Nachteile:
- Material- und Prozesskosten sind höher als bei herkömmlichen Leiterplatten.
- Keramiken sind relativ spröde (außer Si3N4), sodass die Bearbeitung großer Formate Sorgfalt erfordert.
- Design- und Prozessanforderungen sind höher und erfordern einen erfahrenen Fertigungspartner.
Warum Sunking PCB wählen
Gegründet 2009, mit Hauptsitz in Shenzhen und einem Werk in Huizhou, bietet Sunking PCB bis zu 60 Lagen, Kupferstärken über 12oz und eine maximale Leiterplattengröße von 1250×570mm. Zertifiziert nach ISO9001, ISO14001, ISO13485, IATF16949, UL, RoHS und REACH bieten wir Keramiksubstrat-Lösungen von der Materialauswahl bis zur fertigen Leiterplatte für Kunden aus Leistungselektronik, Automobil, HF und LED.
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