Leiterplatten werden aus einer Kombination aus dielektrischen Substraten, Kupferfolien, Prepregs, Lötmasken und Oberflächenbeschichtungen hergestellt. Die Wahl der Materialien hat direkten Einfluss auf die elektrische Leistung, die thermische Stabilität, die mechanische Festigkeit und die langfristige Zuverlässigkeit.
Obwohl FR4 nach wie vor das am häufigsten verwendete Substrat ist, erfordern viele Anwendungen spezielle Materialien, um den Anforderungen hinsichtlich höherer Frequenzen, Temperaturen oder Wärmeleitfähigkeit gerecht zu werden. Das Verständnis der jeweiligen Eigenschaften der einzelnen Materialien hilft Ingenieuren dabei, den für ein bestimmtes Design am besten geeigneten Schichtaufbau auszuwählen.
Inhaltsübersicht
Materialien für Leiterplatten-Substrate
Das Substrat bildet die strukturelle Grundlage der Leiterplatte. Es sorgt für mechanischen Halt und elektrische Isolierung zwischen den leitfähigen Schichten.
Bei der Leiterplattenherstellung kommen üblicherweise verschiedene Substratsysteme zum Einsatz.
FR4
FR4 ist das branchenübliche Material für den Großteil der Elektronik im gewerblichen und industriellen Bereich. Es besteht aus einem Gewebe aus Glasfasern und Epoxidharz und zeichnet sich durch gute elektrische Eigenschaften sowie ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aus.
Typische Anwendungen sind:
- Unterhaltungselektronik
- Industrielle Kontrollen
- Kommunikationsausrüstung
- Module für die Automobilindustrie
Bei Standard-Mehrschichtplatinen bietet FR4 ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung und Herstellungskosten.
FR4 mit hohem Glasübergangspunkt
Materialien mit hoher Glasübergangstemperatur (TG) werden bevorzugt, wenn Leiterplatten erhöhten Temperaturen oder mehreren bleifreien Lötzyklen ausgesetzt sind.
Laminate mit hohem TG-Wert werden häufig in folgenden Bereichen eingesetzt:
- Kfz-Elektronik
- Stromversorgungen
- Server
- Industrielle Kontrollsysteme
Im Vergleich zu Standard-FR4 weisen Materialien mit hohem TG eine bessere Dimensionsstabilität und Feuchtigkeitsbeständigkeit auf.
Hochfrequenz-Materialien
Anwendungen im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich erfordern häufig Materialien mit geringen Schwankungen der Dielektrizitätskonstante und einem niedrigen Verlustfaktor.
Zu den gängigen Beispielen gehören:
- Rogers-Laminate
- Materialien auf PTFE-Basis
- Taconic-Materialien
- Panasonic Megtron-Reihe
Diese Materialien finden breite Anwendung in:
- Radaranlagen
- 5G-Kommunikationsgeräte
- Satellitenelektronik
- Hochgeschwindigkeits-Netzwerkprodukte
Polyimid-Werkstoffe
Polyimid-Werkstoffe zeichnen sich durch hervorragende Temperaturbeständigkeit und Flexibilität aus. Sie kommen häufig in flexiblen und starr-flexiblen Leiterplatten zum Einsatz.
Zu den typischen Branchen gehören:
- Luft- und Raumfahrt
- Medizinische Elektronik
- Tragbare Geräte
- Militärische Systeme
Polyimid-Leiterplatten halten rauen Umgebungsbedingungen stand, für die herkömmliches FR4 möglicherweise nicht geeignet ist.
Metallkernmaterialien
Leiterplatten mit Metallkern verwenden Aluminium- oder Kupferträger, um die Wärmeableitung zu verbessern.
Sie werden häufig verwendet für:
- LED-Beleuchtung
- Stromrichter
- Kfz-Beleuchtung
- Hochstromanwendungen
Leiterplatten mit Aluminiumkern sind aufgrund ihres ausgewogenen Verhältnisses zwischen thermischer Leistung und Herstellungskosten nach wie vor die gängigste Lösung.
Kupfer-Folie
Kupferfolie bildet die Leiterbahnen, über die elektrische Signale und Strom durch die Leiterplatte geleitet werden.
Zu den gängigen Kupfergewichten gehören:
| Kupfer Gewicht | Dicke |
|---|---|
| 0,5 Unzen | 17 μm |
| 1 Unze | 35 μm |
| 2 Unzen | 70 μm |
| 3 Unzen | 105 μm |
| 4 oz und mehr | Schweres Kupfer |
Dickeres Kupfer verbessert die Strombelastbarkeit, wirkt sich jedoch auch auf den Leiterabstand und die Ätztoleranzen aus.
Schwere Kupferkonstruktionen kommen häufig in der Leistungselektronik und in Industrieanlagen zum Einsatz.
Kern- und Prepreg-Materialien
Mehrschichtige Leiterplatten werden aus Kernen und Prepregs hergestellt.
Kernmaterial
Ein Kern besteht aus ausgehärtetem Laminat, das beidseitig mit Kupferfolie beschichtet ist. Er sorgt für Steifigkeit und bestimmt die Schichtdicke.
Prepreg
Prepreg besteht aus teilweise ausgehärtetem Harz, das mit Glasfasergewebe verstärkt ist. Beim Laminieren werden mehrere Schichten unter Einwirkung von Wärme und Druck miteinander verbunden.
Die Kombination aus Kernmaterial und Prepreg bestimmt:
- Dicke der Platte
- Impedanzkontrolle
- Mechanische Stabilität
- Schichtabstand
Die richtige Materialauswahl ist für Hochgeschwindigkeitsdesigns und impedanzgesteuerte Strukturen von entscheidender Bedeutung.
Lötmaske
Die Lötmaske schützt die Kupferbahnen vor Oxidation und verhindert Lötbrücken bei der Bestückung.
Grün ist nach wie vor die am häufigsten vorkommende Farbe, obwohl auch Schwarz, Weiß, Blau und Rot weit verbreitet sind.
Neben dem optischen Erscheinungsbild verbessern Lötmasken:
- Oberflächenisolierung
- Feuchtigkeitsbeständigkeit
- Chemische Beständigkeit
- Zuverlässigkeit bei der Montage
Materialien für die Oberflächenveredelung
Oberflächenbehandlungen schützen freiliegende Kupferpads und gewährleisten die Lötbarkeit.
Zu den gängigen Oberflächen gehören:
ENIG
Chemisch Nickel mit Immersionsvergoldung zeichnet sich durch hervorragende Ebenheit und Korrosionsbeständigkeit aus und eignet sich daher für Bauteile mit engem Rastermaß sowie für BGA-Gehäuse.
HASL
Das Heißluft-Lötnivellieren ist nach wie vor eine kostengünstige Option für herkömmliche Baugruppen.
Immersionsdose
Zinn aus dem Tauchverfahren bietet eine gute Lötbarkeit und wird häufig in Kommunikations- und Industrieprodukten verwendet.
OSP
Organische Lötbarkeitsschutzmittel werden aufgrund ihrer geringen Kosten häufig für die Massenproduktion von Unterhaltungselektronik eingesetzt.
Die Materialauswahl hängt vom Einsatzzweck ab
Unterschiedliche Anwendungen stellen unterschiedliche Anforderungen an Leiterplattenmaterialien.
| Anmeldung | Gängiges Material |
| Unterhaltungselektronik | FR4 |
| Kfz-Elektronik | FR4 mit hohem Glasübergangspunkt |
| HF und Mikrowellen | Rogers, PTFE |
| Flexible Schaltungen | Polyimid |
| LED-Produkte | Aluminiumkern |
| Hochgeschwindigkeitsserver | Materialien mit geringen Verlusten |
| Luft- und Raumfahrtsysteme | Polyimid und keramische Werkstoffe |
Bei der Materialauswahl sollten mehrere Faktoren gleichzeitig berücksichtigt werden:
- Betriebsfrequenz
- Thermische Anforderungen
- Mechanische Belastung
- Montageprozess
- Kostenziel
- Langfristige Zuverlässigkeit
Die Wahl der richtigen Kombination aus Substrat, Kupferfolie, Prepreg, Lötmaske und Oberflächenveredelung trägt dazu bei, eine stabile Leistung über den gesamten Lebenszyklus des Produkts hinweg zu gewährleisten.
FAQ
A: FR4 ist das am häufigsten verwendete Leiterplattensubstrat, da es ein ausgewogenes Verhältnis zwischen elektrischer Leistung, mechanischer Festigkeit und Herstellungskosten bietet.
A: Rogers-Laminate zeichnen sich durch geringere dielektrische Verluste und eine bessere Signalintegrität aus, wodurch sie sich für HF-, Mikrowellen- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen eignen.
A: Bei den meisten flexiblen Leiterplatten kommt Polyimidfolie zum Einsatz, da sie sich durch hervorragende Flexibilität und hohe Temperaturbeständigkeit auszeichnet.
A: Metallkern- und Keramikmaterialien weisen eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit auf als herkömmliches FR4 und eignen sich daher für Leistungs- und LED-Anwendungen.
A: Die Materialauswahl hängt von der Frequenz, der Betriebstemperatur, den Zuverlässigkeitsanforderungen, den mechanischen Einschränkungen und den Gesamtkosten des Projekts ab.