Funktionale Eigenschaften und Anwendungen von elektronischen Isolierkeramiken
Elektronische Isolierkeramiken, auch bekannt als Isolierkeramiken oder Hochfrequenz-Keramikusolate, spielen eine entscheidende Rolle in modernen elektrischen und elektronischen Systemen. Diese Keramiken dienen primär der physikalischen Trennung von Leitern und verhindern so unerwünschte Stromlecks, die die Funktion von Schaltungen beeinträchtigen oder zu einem Totalausfall des Systems führen könnten. Neben der elektrischen Isolation bieten diese Keramiken wichtige mechanische Stabilität, Wärmeableitung und Schutz vor Umwelteinflüssen für Schaltungskomponenten.
Im Gegensatz zu gewöhnlichen Materialien behalten elektronische Keramikisolatoren ihre dielektrischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften auch bei erhöhten Temperaturen bei und gewährleisten so eine langfristige Zuverlässigkeit in anspruchsvollen Umgebungen.
Hauptfunktionen elektronischer Keramikisolatoren
In der Elektronikindustrie werden isolierende Keramiken in einer breiten Palette von Produkten eingesetzt, darunter:
▶ Substrate und Verpackungsmaterialien für elektronische Schaltungen
▶ Röhrenfassungen und -stecker für Vakuumröhren und Hochfrequenzstecker
▶ Schalterkomponenten, Trimmerhalterungen, Klemmenleisten und Spulenkörper
▶ Schutzrohre und keramische Isolierhülsen für Vakuumgeräte, Thermostate und Relais
Ihre Funktionen gehen über die Isolierung hinaus und umfassen Montage, Befestigung, strukturelle Unterstützung und elektrische Verbindungen. Beispielsweise werden in Elektrofahrzeugen (EVs) Aluminiumoxid-Isolierkeramiken mit metallisierter Versiegelung in Relais, Sicherungen, Batterieanschlüssen und mehr verwendet.
Arten und Eigenschaften isolierender elektronischer Keramik
Isolierkeramiken lassen sich anhand ihrer chemischen Zusammensetzung in zwei Hauptkategorien unterteilen:
Oxidisolierende Keramiken:wie beispielsweise Aluminiumoxidkeramik, Talkkeramik, Forsteritkeramik und Berylliumoxidkeramik
Nichtoxidische Isolierkeramiken:einschließlich Aluminiumnitrid, Bornitrid und Siliziumnitrid
Um als elektronischer Keramikisolator effektiv zu funktionieren, muss ein Material folgende wesentliche Eigenschaften aufweisen:
| Eigentum | Erfordernis |
| Hohe Durchschlagsfestigkeit | Hohe Spannungen aushalten |
| geringe dielektrische Verluste | Effizient für hohe Frequenzen |
| Hoher spezifischer Volumenwiderstand | Hervorragende Isolierung |
| Wärmeleitfähigkeit | Effiziente Wärmeableitung |
| Anpassung der Wärmeausdehnung | Kompatibel mit Leitermaterialien |
| Mechanische Festigkeit | Mechanischer Belastung standhalten |
| Chemische Stabilität | Beständigkeit gegen Degradation in rauen Umgebungen |
Hochfrequenz-Isolierkeramik auf Talkbasis
Talkkeramik, gewonnen aus natürlichem Talk (3MgO·4SiO₂·H₂O), bietet geringe dielektrische Verluste und findet breite Anwendung in:
▶ Hochfrequenz-Spulenkörper und Schalter
▶ Keramische Schäfte und Widerstandssubstrate
▶ Hochspannungs- und Trimmerkondensatoren mit kleiner Kapazität
Seine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit und sein günstiger Preis machen es ideal für hochohmige Bauteile.
Aluminiumoxidkeramik als isolierende elektronische Keramik
Aluminiumoxid-Keramikisolatoren gehören zu den am weitesten verbreiteten Werkstoffen in elektronischen Anwendungen, darunter:
▶ Keramische Gehäuse für Vakuumkondensatoren und Mikrowellenröhren
▶ Keramische Fenster in der Hochleistungs-Mikrowellenübertragung
▶ Substrate für mehrlagige Verdrahtungen und IC-Gehäuse
▶ Vakuumschalter, Thyristoren und andere Leistungselektronik
Es werden sowohl weiße als auch rote Aluminiumoxidkeramiken verwendet, wobei rote Aluminiumoxidkeramik typischerweise CrO₂ zur Färbung enthält. In Elektrofahrzeugen finden metallisierte Aluminiumoxidkeramikbauteile zunehmend Anwendung in Relais, Sicherungen und Batterieanschlüssen.
Im Vergleich zu Strukturkeramiken aus Aluminiumoxid müssen Isolierkeramiken überlegene elektrische Eigenschaften aufweisen, darunter:
▶ geringe dielektrische Verluste
▶ Hohe Durchbruchspannung
▶ Hoher spezifischer Widerstand
Daher muss der Gehalt an einwertigen Ionenverunreinigungen (z. B. Na₂O, K₂O) streng kontrolliert werden, um eine Verschlechterung der elektrischen Leistung zu verhindern.
95% Aluminiumoxid-Keramik: Der Industriestandard
Das am häufigsten verwendete Material ist 95 % oder 96 % Aluminiumoxidkeramik, die ein ausgewogenes Verhältnis von elektrischen und mechanischen Eigenschaften mit geringeren Herstellungskosten bietet und sich daher für die Massenproduktion eignet. Sie enthält zudem geringe Mengen an Glasphasen, was die Metallisierung und hermetische Abdichtung – eine Schlüsselanforderung in der Elektronik – erleichtert.
Anwendungsgebiete umfassen:
▶ Hochleistungs-Vakuumröhren, bei denen hohe Festigkeit und hohe Isolation von entscheidender Bedeutung sind
▶ Vakuumkondensatoren mit Durchbruchspannungen, die etwa 10-mal höher sind als die von Luftkondensatoren.
▶ Mikrowellenröhren und Energieübertragungsfenster aus 95–99% Aluminiumoxid
▶ Vakuumschalter in Leistungsschaltern für Stromnetze und industrielle Systeme
▶ Keramische Vakuumröhren, bestehend aus isolierenden Keramikgehäusen mit eingebetteten Elektroden
Anwendungen in der LED-Beleuchtung und bei Elektrogeräten
Aluminiumoxid-Keramikusolatoren sind auch in der LED-Beleuchtung unverzichtbar, wo sie als Keramik-Lampenfassungen und Leiterplattensubstrate dienen (siehe Abb. 5 und 6). Ihre Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolation gewährleisten eine lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit. Keramik-Lampenfassungen (Abb. 7) in elektrischen Lichtquellen sind ein weiteres gängiges Anwendungsgebiet.
Anwendungen im Automobilbereich: Keramischer Zündkerzenisolator
Eine der wichtigsten Anwendungen von elektronischen Isolierkeramiken im Automobilbereich ist der keramische Zündkerzenisolator.
Der keramische Zündkerzenisolator wird typischerweise aus Aluminiumoxidkeramik hergestellt, da diese folgende Eigenschaften aufweist:
▶ Hohe Durchschlagsfestigkeit
▶ Ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit
▶ Beständigkeit gegenüber Verbrennungsgasen und Vibrationen
▶ Hohe mechanische Festigkeit und elektrische Isolation
▶ Diese Eigenschaften gewährleisten die stabile Zündung von Verbrennungsmotoren auch unter anspruchsvollen Bedingungen. Mit dem Trend zu kraftstoffsparenden und leistungsstarken Motoren steigt die Nachfrage nach keramischen Zündkerzenisolatoren stetig.
Isolierende Elektronikkeramiken sind für moderne elektrische und elektronische Systeme unerlässlich. Von traditionellen Vakuumröhren und Mikrowellengeräten bis hin zu Elektrofahrzeugen der nächsten Generation und Zündsystemen ermöglichen Materialien wie Aluminiumoxid-Keramikisolatoren, Talkumkeramik und Keramik-Zündkerzenisolatoren einen sicheren, stabilen und effizienten Betrieb. Dank ihrer hervorragenden dielektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften bleiben diese Materialien Schlüsselelemente für die Weiterentwicklung von Hochspannungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturanwendungen.
