Ihr Leiterplatten-Trägermaterial: Ein Leitfaden zu Materialien
Leiterplatten-Materialien haben zwei Aufgaben: Sie leiten Elektrizität und sorgen für Isolation zwischen leitenden Kupferschichten.
Im Wesentlichen umfassen die Materialien einer Leiterplatte (printed circuit board, PCB) die Übertragungsleitungen und Komponenten, die Hochfrequenz- und Mikrowellenschaltungen ermöglichen. Somit ist es offensichtlich, warum Materialien für das Funktionieren oder den Ausfall Ihrer Leiterplatte wichtig sind; die verwendeten Materialien beeinflussen das thermische Verhalten sowie die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Schaltung.
Leiterplatten bestehen im Allgemeinen aus Lötstopplack, der im Siebdruckverfahren aufgebracht wird, aus Kupfer-Leiterbahnen und Substrat. Und es ist das Substrat, das so viele Optionen bietet.
Was ist ein Leiterplatten-Substrat?
Das Leiterplatten-Substrat ist das wichtigste Element von Leiterplatten. Die grundlegenden Teile und Komponenten einer Leiterplatte werden vom Leiterplatten-Substrat/Trägermaterial gehalten. Das Leiterplatten-Trägermaterial hält die Komponenten sicher auf der Platte.
Leiterplatten haben unterschiedliche Schichten. Diese Schichten werden ebenfalls mit Leiterplatten-Trägermaterialien gesichert.
Arten von Leiterplatten-Trägermaterialien
Leiterplatten, auch gedruckte Schaltungen genannt, benötigen Leiterplatten-Trägermaterialien. Diese Trägematerialien können für unterschiedliche Zwecke verwendet werden. Im Folgenden sehen Sie eine Liste verschiedener Arten von Leiterplatten-Trägermaterialien.
FR-4
FR-4-Leiterplatten machen den Großteil aller Leiterplatten aus. Sie sind leicht, feuchtigkeitsbeständig, kostengünstig und leistungsstark. FR-4 wird hauptsächlich in der Unterhaltungselektronik verwendet.
Flexible FCB-Trägermaterialien
Ohne flexible Leiterplatten sind tragbare Technologien, sogenannte „Wearables“, völlig unvorstellbar. Flexible Leiterplatten kommen in unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz. Flexible Leiterplatten-Substrate sind aufgrund ihrer weichen Materialien auch biegsam.
Starre Leiterplatten-Substrate
Starre Leiterplatten-Substrate sind stabil, sie können nicht gebogen werden und sie sind stoßfest. Starre Leiterplatten sind kostengünstig. Ihre Substrate sind keramikbasiert.
Starrflexible Leiterplatten-Substrate
Diese Leiterplatten vereinen die Vorteile von flexiblen und starren Leiterplatten. Sie verwenden beide Arten von Materialien. Starrflexible Leiterplatten kommen in der Medizin sowie in der Luft- und Raumfahrt zur Anwendung. In ihren Leiterplatten-Trägermaterialien werden also die Materialien dieser beiden unterschiedlichen Arten von Substraten verwendet.
Woraus werden Leiterplatten hergestellt?
Einst gab es nur die folgende Auswahl bei den Materialien für Radiofrequenz- oder Mikrowellen-Leiterplatten:
- entweder hartes, starres Leiterplattenmaterial
- oder weiches, flexibles Leiterplattenmaterial
Mittlerweile gibt es mehr Auswahl. Mit dem Boom in der Elektronik sind Leiterplattenmaterialien jetzt für spezifische Anwendungen wie Antennen oder sogar für bestimmte Frequenzbereiche, z. B. Millimeterwellenfrequenzen, verfügbar.
Dennoch lässt sich das Grundsubstrat der meisten Leiterplatten-Materialien immer noch in dieselben Kategorien wie früher einteilen: hart/starr oder weich/flexibel.
Harte/starre Leiterplatten-Materialien
Diese Leiterplatten bestehen aus einem soliden Trägermaterial, das ein Biegen der Platine verhindert. Nehmen wir zum Beispiel eine Hauptplatine in einem Computer, was die wahrscheinlich häufigste Anwendung für starre Leiterplatten darstellt.
Die Hauptplatine ist eine mehrlagige Leiterplatte. Sie wurde entwickelt, um die elektrische Energie aus der Netzstromversorgung zuzuweisen und gleichzeitig die Kommunikation zwischen allen Teilen des Computers, wieCPU (Central Processing Unit, Zentraleinheit),GPU (Graphics Processing Unit, Grafikprozessor)und RAM (Radnom-Access Memory, Direktzugriffsspeicher) zu ermöglichen. Harte oder starre Materialien werden verwendet, wenn die Leiterplatte für die gesamte Lebensdauer des Geräts ihre vorgesehen Form beibehalten muss.
Harte Leiterplattenmaterialien sind typischerweise keramikbasiert. Die Vorteile sind im Allgemeinen:
- Hohe Wärmeleitfähigkeit, 170 W/mK
- Stark dielektrisch
- Hohe Betriebstemperatur >350 ºC
- Niedriger Ausdehnungskoeffizient <4 ppm/C
- Kleinere Gehäuse durch die Integration
- Hermetische Gehäuse möglich, 0 % Wasseraufnahme
- Beschränkte oder keine Ausgasung
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Zu den beliebtesten Leiterplatten-Materialien auf Keramikbasis gehören:
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Material |
Typische Anwendung |
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Aluminium oder Aluminiumoxid (Al2O3) |
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| Aluminiumnitrid (AlN) Hohe Wärmeleitfähigkeit; hohe thermische Festigkeit bei geringer Ausdehnung. Wird häufig als Substrat oder Gehäusematerial verwendet. |
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| Berylliumoxid (BeO) Hochgiftig bei der Verarbeitung. Wird aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und geringen Ausdehnung verwendet. |
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Substrat: Weiche/flexible Materialien
Um Leiterplatten flexibel und beweglich zu machen, wird häufig Kunststoff verwendet. Ebenso wie starre Leiterplatten können auch flexible Leiterplatten in einzel-, doppel- oder mehrschichtigen Ausführungen hergestellt werden. Sie können über Kanten gefaltet und um Ecken gewickelt werden.
Flexible Materialien: Der Aufstieg der Wearables
Wearables (tragbare Technologien) werden durch flexible Materialien ermöglicht, wodurch gedruckte Schaltkreise auf engstem Raum untergebracht werden können. Flexible Materialien sparen Kosten und Gewicht, doch in der Herstellung sind sie üblicherweise mit höheren Kosten verbunden.
Ein Vorteil von flexiblen Materialien besteht darin, dass sie in Bereichen mit Umweltgefahren verwendet werden können. Flexible Materialien können zum Beispiel wasserdicht, stoßfest oder korrosionsbeständig sein – die meisten starren Leiterplatten können diese Eigenschaften jedoch nicht bieten.
Weiche Leiterplattenmaterialien wie Epoxid oder Kunststoff bilden eine Beschichtung um einen Füllstoff, häufig ein Glasgewebe. Diese Form von Glas – oder auch ein keramischer Füllstoff – bietet Festigkeit und Steifigkeit für das dielektrische Kunststoffmaterial. Hier sind drei typische weiche/flexible Basissubstrat-Materialien:
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Material |
Typische Anwendung |
| Polytetrafluorethylen (PTFE) Der bekannteste Handelsname für PTFE ist Teflon. Dieses Material bietet Temperaturstabilität und eine geringe Verlustleistung. |
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| Polyimid Gute elektrische Eigenschaften, großer Temperaturbereich und hohe chemische Beständigkeit. |
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PEEK |
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Starrflexible Leiterplatten
Es gibt allerdings eine dritte Option für Ihr Substrat: eine Kombination aus flexiblen und starren Materialien. Starrflexible Leiterplatten bestehen aus mehreren Schichten flexibler Leiterplatten, wie etwa aus Polyimid, die auf einer starren Leiterplattenschicht befestigt sind. Sie werden häufig in Luft- und Raumfahrt, Medizin und Rüstung verwendet.
Einfache Bearbeitung
Flexible Schaltungsmaterialien, die auf PTFE basieren, wie RO3000 und RO4000, sind beliebt, da sie einfach zu bearbeiten sind und geringe dielektrische Verluste bei Mikrowellenfrequenzen aufweisen.
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Material |
Typische Anwendung |
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RO3000 |
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R04000 |
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Welches ist das beliebteste Leiterplatten-Material?
Das ist wohl FR-4, ein Verbundwerkstoff aus Glasfaser-Laminat und flammhemmendem Epoxidharz.
Nur handelt es sich dabei nicht um ein einzelnes Material, sondern um eine Qualitätsklasse, deren Eigenschaften von der NEMA, der National Electrical Manufacturers Association, einer US-Interessenvertretung, festgelegt wurden. Dabei steht „FR“ für „flame retardant“ (flammwidrig) und bedeutet, dass das Material gemäß der Vorschrift UL94 der Klasse VO entspricht.
Was sind die Vorteile von FR-4?
FR-4 (auch FR4) ist kostengünstig und vielseitig. Es besteht aus mehreren Prepreg-Platten, die selbst aus Glasfaservlies bestehen, das mit Epoxidharz imprägniert wird. Es stellt den Branchenstandard in Bezug auf einfaches Bohren und Metallisierung dar. Es ist ausschlaggebend für die kostengünstige Produktion von Leiterplatten und bietet eine gute Leistung im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich.
FR-4 bietet:
- Elektrische Isolierung mit hoher Durchschlagsfestigkeit
- Hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
- Geringes Gewicht
- Feuchtigkeitsbeständigkeit
- Relative Temperaturbeständigkeit, sodass Sie unter den meisten Umgebungsbedingungen eine gute Leistung erwarten können
Was sind die Nachteile von FR-4?
Obwohl FR-4 flexibel genug, einfach zu bearbeiten und als Leiterplatten leicht in größeren Gehäusen zu positionieren ist, gibt es ein Problem mit diesem Material:
- Den hohen dielektrischen Verlust (der Verlustfaktor) bei Mikrowellenfrequenzen
- Das bedeutet, dass es für digitale Hochgeschwindigkeitsschaltungen oder analoge Hochfrequenzanwendungen über einigen GHz eine schlechte Wahl ist.
Mehr Details zu FR-4
FR-4 wird je nach Eigenschaften und Anwendungen in vier Unterklassen unterteilt:
- Standard, mit einer Glasübergangstemperatur Tg von ~ 130 °C, mit oder ohne UV-Sperrfilter. Der gängigste und am häufigsten verwendete Typ. Dabei handelt es sich auch um den günstigsten Typ von FR-4.
- Mit einer höheren Glasübergangstemperatur von Tg ~ 170 °C – 180 °C, kompatibel mit bleifreier Reflow-Technologie;
- Halogenfrei und kompatibel mit bleifreier Reflow-Technologie
- Mit einem CTI-Wert (Comparative Tracking Index, Index für die Kriechstromfestigkeit) von CTI ≥ 400, ≥ 600
FR-1, FR-2 und FR-3
Alle drei Materialarten werden hauptsächlich für einschichtige Leiterplatten verwendet. Was sind also die Unterschiede?
- FR-1 hat eine Tg von ~ 130 °C
- FR-2 hat eine Tg von ~ 105 °C
- FR-3 hat eine Tg von ~ 105 °C, aber anstelle von Phenolharz wie bei FR-2 kommt bei FR-3 Epoxidharz als Bindemittel zum Einsatz
CEM-1: eine billigere Alternative zu FR-4
FR-4 ist bereits eine kostengünstige Option, aber CEM-1 kostet sogar noch weniger. Die Abkürzung CEM steht für „Composite Epoxy Material“ (Epoxidverbundstoff). Ebenso wie FR-4 ist auch CEM-1 eine NEMA-Klassifikation. CEM-1 besteht aus einem phenolgetränkten Hartpapierkern und zwei Außenlagen aus Glasfasergewebe-Epoxid-Verbundwerkstoff (also FR-4) und wird nur zur Herstellung einseitiger Leiterplatten verwendet, da die Laminate mit dem Verfahren der Metallisierung in Löchern (Durchkontaktierung) nicht kompatibel sind. Die dielektrischen Eigenschaften von CEM1 ähneln jenen von FR-4, aber die mechanische Lebensdauer ist nicht ganz so gut. Entflammbarkeitsklasse UL94 V0.
CEM-3: sehr ähnlich wie FR-4
CEM-3 wird in doppelseitigen Leiterplatten mit durchkontaktierten Bohrungen verwendet und kostet typischerweise etwa 1 bis 2 US-Dollar pro Quadratmeter weniger als FR-4. Abhängig von den Eigenschaften und Anwendungen werden CEM-3-Laminate in folgende Unterklassen unterteilt:
- Standard, mit oder ohne UV-Sperrfilter
- Kompatibel mit bleifreier Reflow-Technologie
- Halogenfrei, ohne Phosphor und Antimon, ungiftig
- Mit einer Kriechstromfestigkeit von CTI ≥ 600
Der Rest der CEM-Familie
- CEM-2: Zellulosepapierkern und Glasgewebeoberfläche
- CEM-4 ist ziemlich ähnlich wie CEM-3, aber nicht flammwidrig
- CEM-5 (oder auch CRM-5) hat einen Polyester-Glasgewebe-Kern
Welche Materialien eignen sich für mehrschichtige Leiterplatten?
Der Zweck der Stapelung von Leiterplatten besteht natürlich darin, Platz zu sparen. Dies kann mit diesem Leitfaden für das Stapeln mit Leiterplatten-Abstandhaltern sehr einfach erreicht werden.
Für einen Mehrlagenaufbau von Leiterplatten sind die Parameter der verwendeten Materialien hinsichtlich Maßhaltigkeit und elektrischer Stabilität von entscheidender Bedeutung.
• RO4000
Wie bereits erwähnt, eignet sich dieses Material gut für das Stapeln von Leiterplatten. Es verfügt über einen niedrigen Temperaturkoeffizienten der dielektrischen Konstante, um Phasenvariationen zu minimieren, sowie über einen Wärmeausdehnungskoeffizienten der z-Achse (CTE), der beinahe dem von Kupfer entspricht.
• Starrflexible Materialien
Diese auch als flexibel-starre Materialien bekannten Werkstoffe funktionieren gut. PTFE eignet sich zum Beispiel besonders gut für verlustarme Mikrowellenschaltungen, aber nicht gut für mehrschichtige Schaltungen, da es sich temperaturabhängig in seinen Abmessungen und dielektrischen Eigenschaften verändert.
Eine Lösung, um die Vorteile der elektrischen Eigenschaften von PTFE zu nutzen, ist die Verbesserung der strukturellen Integrität. Dies wurde durch die Kombination der elektrischen Eigenschaften des Materials mit den mechanischen Eigenschaften von Polyimidmaterialien erreicht.
Leiterplatten-Trägermaterialien und ihre Vorteile:
Die vier Hauptarten von Leiterplatten-Trägermaterialisien bieten unterschiedliche Vorteile, aber natürlich hängt Ihre Wahl von Ihrer Anwendung und Ihrem Budget ab. Hier ist eine kurze Erinnerung daran, wo Sie beginnen sollten, wenn Sie Überlegungen zur Auswahl Ihrer Materialien anstellen.
| Wann flexible Materialien verwendet werden sollten |
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| Wann starre Materialien verwendet werden sollten |
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| Wann starrflexible Materialien verwendet werden sollten |
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| Wann FR-4 verwendet werden sollte |
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