Funktionale Eigenschaften und Anwendungen elektronischer Isolierkeramiken
Elektronische Isolierkeramiken, auch bekannt als Isolierkeramiken oder Hochfrequenz-Keramikisolatoren, spielen in modernen elektrischen und elektronischen Systemen eine entscheidende Rolle. Diese Keramiken dienen in erster Linie der physischen Isolierung von Leitern und verhindern so unerwünschte Stromlecks, die die Schaltungsfunktion beeinträchtigen oder einen Totalausfall des Systems verursachen könnten. Neben der elektrischen Isolierung bieten diese Keramiken auch wichtige mechanische Unterstützung, Wärmeableitung und Schutz vor der Umgebung für Schaltungskomponenten.
Im Gegensatz zu gewöhnlichen Materialien behalten elektronische Keramikisolatoren ihre dielektrischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften auch bei erhöhten Temperaturen und gewährleisten so langfristige Zuverlässigkeit in anspruchsvollen Umgebungen.
Schlüsselfunktionen elektronischer Keramikisolatoren
In der Elektronikindustrie wird Isolierkeramik in einer breiten Palette von Produkten eingesetzt, darunter:
▶ Substrate und Verpackungsmaterialien für elektronische Schaltungen
▶ Röhrenfassungen und -stecker für Vakuumröhren und Hochfrequenzstecker
▶ Schalterkomponenten, Trimmerhalterungen, Klemmenbretter und Spulenkörper
▶ Schutzrohre und keramische Isolierhülsen für Vakuumgeräte, Thermostate und Relais
Ihre Funktionen gehen über die Isolierung hinaus und umfassen auch Montage, Befestigung, strukturelle Unterstützung und elektrische Konnektivität. In Elektrofahrzeugen (EVs) werden Aluminiumoxid-Isolierkeramiken mit metallisierter Versiegelung beispielsweise in Relais, Sicherungen, Batterieanschlüssen und mehr verwendet.
Arten und Eigenschaften isolierender elektronischer Keramik
Basierend auf der chemischen Zusammensetzung können Isolierkeramiken in zwei Hauptkategorien unterteilt werden:
Oxidisolierende Keramik:wie Aluminiumoxidkeramik, Talkkeramik, Forsteritkeramik und Berylliumoxidkeramik
Nichtoxidische Isolierkeramik:einschließlich Aluminiumnitrid, Bornitrid und Siliziumnitrid
Um als elektronischer Keramikisolator effektiv zu funktionieren, muss ein Material die folgenden wesentlichen Eigenschaften aufweisen:
| Eigentum | Erfordernis |
| Hohe Durchschlagsfestigkeit | Hält hoher Spannung stand |
| Geringer dielektrischer Verlust | Effizient für Hochfrequenz |
| Hoher Volumenwiderstand | Hervorragende Isolierung |
| Wärmeleitfähigkeit | Effiziente Wärmeableitung |
| Anpassung der Wärmeausdehnung | Kompatibel mit Leitermaterialien |
| Mechanische Festigkeit | Widersteht mechanischer Belastung |
| Chemische Stabilität | Widerstandsfähig gegen Abbau in rauen Umgebungen |
Hochfrequenz-Isolierkeramik auf Talkbasis
Talkkeramik, die aus natürlichem Talk (3MgO·4SiO₂·H₂O) gewonnen wird, bietet geringe dielektrische Verluste und wird häufig verwendet in:
▶ Hochfrequenz-Spulenkörper und -Schalter
▶ Keramikwellen und Widerstandssubstrate
▶ Hochspannungs- und Trimmerkondensatoren mit kleiner Kapazität
Seine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit und sein günstiger Preis machen es ideal für hochohmige Komponenten.
Aluminiumoxidkeramik als isolierende elektronische Keramik
Aluminiumoxid-Keramikisolatoren gehören zu den am häufigsten verwendeten Materialien in elektronischen Anwendungen, darunter:
▶ Keramikhüllen für Vakuumkondensatoren und Mikrowellenröhren
▶ Keramikfenster in der Leistungsmikrowellenübertragung
▶ Substrate für Mehrschichtverdrahtung und IC-Gehäuse
▶ Vakuumschalter, Thyristoren und andere Leistungselektronik
Es werden sowohl weiße als auch rote Aluminiumoxidkeramiken verwendet, wobei rotes Aluminiumoxid typischerweise CrO₂ zur Färbung enthält. In Elektrofahrzeugen werden metallisierte Aluminiumoxidkeramikkomponenten zunehmend in Relais, Sicherungen und Batterieanschlüssen eingesetzt.
Im Vergleich zu struktureller Aluminiumoxidkeramik weist isolierende Aluminiumoxidkeramik bessere elektrische Eigenschaften auf, darunter:
▶ Geringer dielektrischer Verlust
▶ 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 % Aluminiumoxidkeramik: Der Industriestandard
Das am häufigsten verwendete Material ist Keramik aus 95 % oder 96 % Aluminiumoxid. Sie bietet eine ausgewogene Kombination aus elektrischer und mechanischer Leistung bei gleichzeitig niedrigen Herstellungskosten und eignet sich daher für die Massenproduktion. Sie enthält außerdem geringe Mengen Glasphasen, die die Metallisierung und hermetische Abdichtung erleichtern – eine wichtige Voraussetzung in der Elektronik.
Zu den Anwendungen gehören:
▶ Hochleistungs-Vakuumröhren, bei denen hohe Festigkeit und hohe Isolierung entscheidend sind
▶ Vakuumkondensatoren mit etwa 10-mal höheren Durchbruchspannungen als Luftkondensatoren
▶ Mikrowellenröhren und Energieübertragungsfenster aus 95–99 % Aluminiumoxid
▶ Vakuumschaltröhren in Leistungsschaltern für Stromnetze und Industrieanlagen
▶ Keramische Vakuumröhren, bestehend aus isolierenden Keramikgehäusen mit eingebetteten Elektroden
Anwendungen in LED-Beleuchtung und Elektrogeräten
Aluminiumoxidkeramik-Isolatoren sind auch in der LED-Beleuchtung von entscheidender Bedeutung, wo sie als keramische Lampenfassungen und Leiterplattensubstrate dienen (siehe Abb. 5 und 6). Ihre Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolierung sorgen für lange Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Eine weitere häufige Anwendung sind keramische Lampenfassungen (Abb. 7) in elektrischen Lichtquellen.
Automobilanwendungen: Keramischer Zündkerzenisolator
Eine der wichtigsten Anwendungen von elektronischer Isolierkeramik im Automobilbereich ist der keramische Zündkerzenisolator.
Der keramische Zündkerzenisolator besteht aufgrund seiner Eigenschaften typischerweise aus Aluminiumoxidkeramik:
▶ Hohe Durchschlagsfestigkeit
▶ Ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit
▶ Beständigkeit gegen Brandgase und Vibrationen
▶ Hohe mechanische Festigkeit und elektrische Isolierung
▶ Diese Eigenschaften gewährleisten die stabile Zündung von Verbrennungsmotoren unter rauen Bedingungen. Mit der Umstellung auf kraftstoffsparende und leistungsstarke Motoren steigt die Nachfrage nach keramischen Zündkerzenisolatoren weiter an.
Isolierende Elektronikkeramik ist für moderne elektrische und elektronische Systeme unverzichtbar. Von herkömmlichen Vakuumröhren und Mikrowellengeräten bis hin zu Elektrofahrzeugen und Fahrzeugzündsystemen der nächsten Generation ermöglichen Materialien wie Aluminiumoxidkeramik-Isolatoren, Talkkeramik und keramische Zündkerzenisolatoren einen sicheren, stabilen und effizienten Betrieb. Dank ihrer hervorragenden dielektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften bleiben diese Materialien auch weiterhin von entscheidender Bedeutung für die Weiterentwicklung von Hochspannungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturanwendungen.
