Was ist eine starre Leiterplatte und wie wird eine starre Leiterplatte hergestellt?

Was ist ein Starre Leiterplatte Und wie wird es hergestellt?

Eine starre Leiterplatte (PCB) ist eine Leiterplatte auf Basis eines starren Substrats, die sich durch eine stabile mechanische Struktur und hervorragende elektrische Eigenschaften auszeichnet. Sie wird häufig in Computern, Kommunikationsgeräten, industriellen Steuerungen und Unterhaltungselektronik eingesetzt und bietet zuverlässige elektrische Verbindungen und physische Unterstützung für elektronische Komponenten.

1. Eigenschaften und Vorteile von starren Leiterplatten

Starre Leiterplatten werden hauptsächlich verwendet für glasfaserverstärktes Epoxidlaminat (wie FR-4, CEM-3) als Grundmaterial, hergestellt durch Verfahren wie Laminierung, Musterübertragung und Ätzen. Zu ihren wichtigsten Merkmalen gehören:

• Hohe mechanische FestigkeitDas starre Substrat bietet eine hohe Biege- und Vibrationsfestigkeit und eignet sich für feste Installationen.
• Hervorragende elektrische Leistung: Stabile Dielektrizitätskonstante und geringe Signalübertragungsverluste, geeignet für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
• Gute thermische StabilitätHitzebeständig mit einer Glasübergangstemperatur(Tg) von typischerweise über 140 °C.
• Hohe VerdrahtungsdichteUnterstützt mehrschichtige Designs (inder Regel4–12 Schichten) und ermöglicht so komplexe Schaltungslayouts.

Im Vergleich zu flexiblen Leiterplatten (Flex-PCBs) sind starre Leiterplatten kostengünstiger und verfügen über ausgereiftere Herstellungsverfahren, sind jedoch weniger flexibel und leicht. In der folgenden Tabelle werden die wichtigsten Merkmale der beiden Typen verglichen:

2. Herstellungsprozess von starren Leiterplatten

Die Herstellung von starren Leiterplatten ist ein mehrstufiger, hochpräziser Prozess, der im Wesentlichen die folgenden Schritte umfasst:

• Herstellung von Innenlagen-Schaltungen

• SchneidenKupferkaschiertes Laminat wird mit einerGenauigkeit von ±0,1 mm auf die gewünschtenMaße zugeschnitten.
• Filmlaminierung und Belichtung: Es wird ein lichtempfindlicher Trockenfilm aufgetragen, und die Schaltungsmuster werden durch UV-Belichtung übertragen.
• Entwicklung und Ätzen: Unbelichteter Trockenfilm und Kupfer werden entfernt, um leitfähige Schaltkreise zu bilden.
• AOI-InspektionDie automatisierte optische Inspektion überprüft Parameter wie Linienbreite und Abstand.

• Laminieren und Pressen

• Braune OxidationVerbessern Sie die Haftung zwischen den inneren Kupferschichten und dem Prepreg.
• Schichtstapeln und Pressen: Mehrere Schichten werden unter hoherTemperatur (180–200°C) und hohem Druck (300–400 psi) zusammengepresst.

• Bohren und Metallisieren

• Mechanisches/LaserbohrenErstellt Durchgangslöcher, Sacklöcher oder vergrabene Durchkontaktierungen.
• Kupferabscheidung und -beschichtung: Chemisch abgeschiedenes und galvanisch aufgebrachtes Kupfer metallisiert Lochwände für Zwischenlagenverbindungen.

• Außenlagen-Schaltung und Oberflächenbeschaffenheit

• Übertragung von MusternDie Laser-Direktbelichtungstechnologie (LDI) erzeugt Schaltkreise in der äußeren Schicht.
• Lötmaske und Siebdruck: Lötstopplack wird aufgetragen und die Bauteilkennzeichnungen werden gedruckt.
• OberflächeProzesse wie HASL, ENIG oder OSP werden je nach Anwendungsanforderungen ausgewählt.

• Prüfung und Inspektion

• Elektrische Prüfung: Kontinuität geprüft mittels Flying-Probe- oder Nadelbetttest.
• Validierung der Verlässlichkeit: Umfasst Temperaturwechselprüfung, Prüfung bei hohen Temperaturen/hoher Luftfeuchtigkeit, Impedanzprüfung usw.

3. Wie lässt sich die Zuverlässigkeit von starren Leiterplatten verbessern?

Um die Zuverlässigkeit von starren Leiterplatten in rauen Umgebungen zu verbessern, ist eine systematische Optimierung der Materialien, des Designs, der Fertigung und der Testverfahren erforderlich:

• Auswahl des Materials

• Für Hochfrequenzanwendungen verwenden Sie PTFE-Substrate (Dk≈3,0, Df<0,005).
• Für Umgebungen mit hohen Temperaturen (z. B. Automobilelektronik) verwenden Sie FR-4 mit hoher Glasübergangstemperatur (Tg ≥ 170 °C).
• Zur Wärmeableitung verwenden Sie Metallkernsubstrate (Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumkerns1–3 W/m·K).

• Design-Optimierung

• Erdung DesignVerwenden Sie Mehrpunkt-Erdung für Hochfrequenzschaltungen und Einpunkt-Erdung für Niederfrequenzschaltungen.
• Thermisches Management: Thermische Durchkontaktierungen hinzufügen, dicke Kupferfolie (≥2 oz) verwenden.
• Signalintegrität: Kontrollieren Sie die Impedanzabweichung innerhalb von ±10 %, Toleranz der Linienbreite ±0,05 mm.

• Prozesskontrolle

• Lamination Prozess: Vakuumpressen reduziert Blasen zwischen den Schichten.
• Bohrgenauigkeit: Lochpositionsfehler ≤50 μm, Seitenverhältnis ≤8:1.
• LötprozessVerwenden Sie bleifreies Lot SAC305,Reflow-Spitzentemperatur 245°C ± 5 °C.

• Prüfnormen

• Befolgen Sie Branchenstandards wie IPC-6012 und IPC-A-600.
• Führen Sie ein Umweltbelastungsscreening(ESS) durch, z. B. 1000 Temperaturwechselzyklen(-40 °C bis125 °C).

4. Starre Leiterplatte vs. flexible Leiterplatte: Wie soll man sich entscheiden?

5. Anwendungsszenarien und Auswahlempfehlungen

• Unterhaltungselektronik (Motherboards, Haushaltsgeräte): FR-4 wird aufgrund der geringen Kosten und des ausgereiften Verfahrens bevorzugt.
• Industrielle Steuerung (SPS, Sensoren): Hohe Zuverlässigkeit erforderlich; FR-4 mit hoher Glasübergangstemperatur oder Mehrschichtplatinen empfohlen.
• Kfz-Elektronik (ECUs, Radar): Erfordert Hochtemperaturbeständigkeit und Vibrationsfestigkeit; ein Metallsubstrat oder ein Keramiksubstrat ist optional.
• Kommunikationsausrüstung (5G-Basisstationen, HF-Module): Hochfrequenzanwendungen erfordern PTFE- oder Rogers-Materialien.