Die Materialauswahl gewinnt zunehmend an Bedeutung, da die Betriebsfrequenzen die Grenzen herkömmlicher Leiterplattenkonstruktionen überschreiten. In HF-, Mikrowellen-, Millimeterwellen- und Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystemen können die elektrischen Eigenschaften des Laminats direkten Einfluss auf den Signalverlust, die Impedanzstabilität, die Einfügungsdämpfung und die Gesamtleistung des Systems haben.
Zwar eignet sich Standard-FR4 nach wie vor für viele elektronische Produkte, doch erfordern Hochfrequenzschaltungen häufig Materialien, die speziell dafür entwickelt wurden, über breitere Frequenzbereiche hinweg gleichbleibende elektrische Eigenschaften zu gewährleisten.
Die frühzeitige Auswahl des richtigen Materials in der Entwurfsphase kann dazu beitragen, Probleme mit der Signalintegrität, Kosten für Nacharbeiten und Herausforderungen bei der Fertigung im späteren Projektverlauf zu vermeiden.
Inhaltsübersicht
Warum die Materialauswahl bei hohen Frequenzen entscheidend ist
Bei niedrigeren Frequenzen wird die Leistung von Leiterplatten in erster Linie durch das Schaltungslayout und die Auswahl der Bauteile beeinflusst.
Mit steigender Frequenz gewinnen die Materialeigenschaften zunehmend an Bedeutung.
Zu dieser Entwicklung tragen mehrere Faktoren bei:
- Erhöhter dielektrischer Verlust
- Höhere Einfügungsdämpfung
- Höhere Empfindlichkeit gegenüber Impedanzschwankungen
- Höhere Anforderungen an die Signalintegrität
Materialien, die sich in digitalen Anwendungen mit niedrigen Übertragungsraten bewährt haben, liefern in HF- oder Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssystemen möglicherweise keine akzeptablen Ergebnisse.
Dies ist ein Grund, warum die Materialauswahl zu einem entscheidenden Bestandteil der modernen Leiterplattenentwicklung geworden ist.
Die wichtigsten Materialeigenschaften
Dielektrizitätskonstante (Dk)
Dk beeinflusst die Signalgeschwindigkeit und die Impedanz.
Eine konstante Dielektrizitätskonstante trägt dazu bei, dass die elektrische Leistung über verschiedene Frequenzen hinweg vorhersehbar bleibt.
Wie in Dk- und Df-Werte in Leiterplattenmaterialien, schon geringe Schwankungen des Dk-Werts können sich auf impedanzgesteuerte Strukturen auswirken.
Dissipationsfaktor (Df)
Df bestimmt, wie viel Signalenergie innerhalb des dielektrischen Materials verloren geht.
Niedrigere Df-Werte führen im Allgemeinen zu:
- Reduzierte Einfügungsdämpfung
- Verbesserte Signalqualität
- Größere Übertragungsreichweiten
Bei vielen Hochfrequenzkonstruktionen wird Df zu einem der wichtigsten Materialparameter.
Thermische Stabilität
Kommunikationsgeräte sind häufig unter anspruchsvollen Bedingungen im Dauerbetrieb im Einsatz.
Die thermische Stabilität trägt dazu bei, Folgendes zu gewährleisten:
- Gleichbleibende elektrische Leistung
- Geringere mechanische Belastung
- Verbesserte Langzeitzuverlässigkeit
Feuchtigkeitsresistenz
Die Feuchtigkeitsaufnahme kann die dielektrischen Eigenschaften verändern und die HF-Leistung beeinträchtigen.
Materialien, die für Hochfrequenzanwendungen entwickelt wurden, zeichnen sich in der Regel durch eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme aus.
Kann FR4 verwendet werden für Hochfrequenz-PCBs?
Die Antwort hängt von der Betriebsfrequenz und den Leistungsanforderungen ab.
Standard-FR4 zeigt gute Eigenschaften bei:
- Unterhaltungselektronik
- Produkte für die industrielle Steuerung
- Allgemeine Kommunikationsgeräte
Viele Schaltungen, die mit Frequenzen unterhalb von mehreren Gigahertz arbeiten, können FR4 ohne nennenswerte Probleme erfolgreich einsetzen.
Eine ausführliche Erörterung der Eigenschaften herkömmlicher Laminate finden Sie unter Das FR4-Leiterplattenmaterial im Detail.
Mit steigenden Frequenzen wird jedoch der relativ hohe dielektrische Verlust von FR4 zu einem limitierenden Faktor.
Ingenieure greifen häufig auf verlustarme oder HF-spezifische Werkstoffe zurück, wenn:
- Der Signalverlust wird zu groß
- Die Kanal-Längen nehmen zu
- Die Anforderungen an die HF-Leistung werden strenger
FR4 mit hohem TG-Wert in Kommunikationsgeräten
Materialien mit hohem TG-Wert werden aufgrund ihrer thermischen Zuverlässigkeit häufig für Kommunikationsprodukte ausgewählt.
Die Vorteile sind:
- Bessere Maßhaltigkeit
- Verbesserte Beständigkeit gegen Temperaturwechselbeanspruchung
- Verbesserte Fertigungssicherheit
Allerdings sollte FR4 mit hohem TG-Wert nicht automatisch als Hochfrequenzmaterial angesehen werden.
Sein Hauptvorteil liegt eher in der thermischen Leistung als in einem deutlich geringeren Signalverlust.
Weitere Informationen finden Sie unter FR4-Leiterplatte mit hohem TG-Wert.
Verlustarme Materialien für digitale Hochgeschwindigkeitsschaltungen
Viele moderne Netzwerk- und Computerprodukte verwenden verlustarme Laminatsysteme anstelle herkömmlicher HF-Materialien.
Typische Anwendungen sind:
- Switches für Rechenzentren
- AI-Server
- Hochgeschwindigkeitsspeichersysteme
- Telekommunikationsinfrastruktur
Diese Materialien bieten:
- Niedrigere Df-Werte
- Bessere Signalintegrität
- Verbesserte Kanalleistung
Im Vergleich zu HF-Laminaten bieten sie oft ein besseres Verhältnis zwischen Leistung und Kosten.
Leser, die sich für diese Kategorie interessieren, können folgende Quellen konsultieren: Erläuterungen zu Leiterplattenmaterialien mit geringen Verlusten.
Rogers-Materialien
Rogers-Laminate gehören zu den bekanntesten Materialien, die bei der Herstellung von HF- und Mikrowellen-Leiterplatten zum Einsatz kommen.
Zu den gängigen Produktfamilien gehören:
- Rogers 4350B
- Rogers 4003C
- Rogers 5880
Die Vorteile sind:
- Stabile Dk-Werte
- Geringer dielektrischer Verlust
- Hervorragende Leistung bei hohen Frequenzen
- Gute Prozessstabilität
Die Anwendungen umfassen:
- Radaranlagen
- HF-Verstärker
- Antennenschaltungen
- Satellitenkommunikationsgeräte
In künftigen Artikeln werden bestimmte Materialien von Rogers genauer unter die Lupe genommen.
Materialien auf PTFE-Basis
PTFE gehört nach wie vor zu den dielektrischen Materialien mit den geringsten Verlusten, die für die Leiterplattenherstellung zur Verfügung stehen.
Zu den Merkmalen gehören:
- Extrem niedriger Df-Wert
- Ausgezeichnete RF-Leistung
- Stabiles elektrisches Verhalten
PTFE-Werkstoffe kommen häufig in folgenden Bereichen zum Einsatz:
- Mikrowellensysteme
- Elektronik für die Luft- und Raumfahrt
- Militärische Kommunikationsausrüstung
- Hochfrequenz-Messgeräte
Obwohl die Leistungsmerkmale hervorragend sind, erfordern PTFE-Werkstoffe im Vergleich zu Laminaten auf FR4-Basis in der Regel eine speziellere Verarbeitung.
Megtron und High-Speed Digital Materials
Das Wachstum im Bereich Cloud-Computing und KI-Infrastruktur hat die Nachfrage nach hochentwickelten Hochgeschwindigkeits-Laminaten gesteigert.
Materialien wie:
- Megtron 6
- Megtron 7
- Isola I-Speed
- Tachyon
- Nelco-Hochgeschwindigkeitssysteme
sind in folgenden Bereichen immer häufiger anzutreffen:
- Rechenzentrums-Hardware
- AI-Server
- Netzwerkplattformen
- Hochleistungsrechnersysteme
Diese Materialien sind eher auf die digitale Signalintegrität als auf reine HF-Anwendungen optimiert.
Materialauswahl nach Anwendungsbereich
Unterschiedliche Anwendungen erfordern oft unterschiedliche Materialstrategien.
Unterhaltungselektronik
Typisches Material:
- Standard FR4
Wichtigster Gesichtspunkt:
- Kosteneffizienz
Industrielle Kontrollsysteme
Typisches Material:
- FR4
- FR4 mit hohem Glasübergangspunkt
Wichtigster Gesichtspunkt:
- Verlässlichkeit
Hochgeschwindigkeitsnetzwerke
Typisches Material:
- Verlustarme Laminate
- Megtron
- Isola-Hochgeschwindigkeitswerkstoffe
Wichtigster Gesichtspunkt:
- Signalintegrität
HF- und Mikrowellensysteme
Typisches Material:
- Rogers
- PTFE
- Taconic
Wichtigster Gesichtspunkt:
- Geringer dielektrischer Verlust
Luft- und Raumfahrt und Verteidigung
Typisches Material:
- PTFE
- Hochentwickelte HF-Laminate
- Hybride Materialaufbauten
Wichtigster Gesichtspunkt:
- Leistung unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen
Hybride Materialaufbauten
Nicht jedes Design erfordert ein einheitliches Laminatsystem für die gesamte Leiterplatte.
Viele hochentwickelte Produkte nutzen Hybrid-Schichtaufbauten, die Folgendes kombinieren:
- FR4
- Materialien mit geringen Verlusten
- Rogers-Laminate
Die Vorteile umfassen:
- Geringere Materialkosten
- Verbesserte Herstellbarkeit
- Optimierte elektrische Leistung
Hybridkonstruktionen sind besonders häufig bei HF-Produkten anzutreffen, die sowohl digitale als auch Mikrowellenschaltungen enthalten.
Häufige Fehler bei der Materialauswahl
Sich ausschließlich auf Dk konzentrieren
Dk ist wichtig, aber auch Df, die thermische Leistung und die Herstellbarkeit müssen berücksichtigt werden.
Auswahl des Materials mit den geringsten Verlusten
Das teuerste Material bietet nicht automatisch die beste Gesamtlösung.
Missachtung der Fertigungsanforderungen
Bestimmte Materialien erfordern spezielle Bohr-, Laminier- und Handhabungsverfahren.
Überdimensionierung von Werkstoffen
Bei vielen Designs lassen sich die Ziele mit verlustarmen Laminaten erreichen, ohne dass hochwertige HF-Substrate erforderlich sind.
FAQ
A: Welches Material am besten geeignet ist, hängt vom jeweiligen Anwendungszweck ab. Zu den am häufigsten verwendeten Materialien zählen Rogers, PTFE und verlustarme Laminate.
A: Ja, bei einigen HF-Anwendungen im niedrigen Frequenzbereich. Höhere Frequenzen erfordern oft Materialien mit geringeren dielektrischen Verlusten.
A: Df wirkt sich direkt auf die Einfügungsdämpfung und die Signaldämpfung aus und ist daher für HF- und Hochgeschwindigkeitsschaltungen von entscheidender Bedeutung.
A: Bei vielen 5G-Produkten kommen je nach Betriebsfrequenz und Leistungsanforderungen Rogers-, PTFE- oder fortschrittliche verlustarme Laminate zum Einsatz.
A: Nicht immer. Die Materialauswahl sollte sich nach der Datenrate, der Kanallänge, den Anforderungen an die Signalintegrität und den Gesamtkosten des Projekts richten.