Wichtige Parameter von PCB-Leiterplatten

Detaillierte Erläuterung der wichtigsten PCB-Parameter

1. Elektrische Leistungsparameter

Die elektrischen Eigenschaften einer Leiterplatte wirken sich direkt auf die Signalintegrität aus, insbesondere bei Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsschaltungen.

• Dielektrizitätskonstante (Dk) - Misst die Fähigkeit eines Materials, elektrische Energie zu speichern. Niedrigere Dk-Werte (z. B. PTFE mit Dk≈2,2) ermöglichen eine schnellere Signalübertragung und sind daher ideal für 5G- und Millimeterwellenanwendungen.
• Dissipationsfaktor (Df/Verlusttangente) - Zeigt den Energieverlust des Signals an. Hochfrequenzanwendungen (z. B. Radar, Satellitenkommunikation) erfordern Df < 0,005.
• Oberflächen-/Volumenwiderstand - Der hohe Isolationswiderstand (>10¹² Ω-cm) verhindert Leckströme, was für Hochspannungsleiterplatten (z. B. Leistungsmodule) entscheidend ist.
• Durchschlagsspannung - Standard-FR4 hält ≥20 kV/mm stand, während Keramiksubstrate bis zu 50 kV/mm vertragen können.
• Impedanzkontrolle - Hochgeschwindigkeitsleiterplatten (z. B. DDR5, PCIe 6.0) erfordern eine enge Impedanztoleranz (±5%), um Signalreflexionen zu minimieren.

2. Thermische Leistungsparameter

Die Hitzebeständigkeit einer Leiterplatte bestimmt ihre Zuverlässigkeit in Hochtemperaturumgebungen, insbesondere für bleifreies Löten und Langzeitstabilität.

• Glasübergangstemperatur (Tg) - Standard-FR4 hat eine Tg≈130°C, während Leiterplatten mit hoher Tg (Tg≥170°C) in der Automobil- und Militärelektronik verwendet werden.
• Thermische Zersetzungstemperatur (Td) - Werkstoffe mit Td > 325°C (z.B. Isola 370HR) werden für bleifreies Löten bevorzugt.
• Wärmeleitfähigkeit - FR4 hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit (~0,3 W/m-K), während Leiterplatten mit Metallkern (z. B. Aluminium) 10 W/m-K erreichen können, was sie ideal für die LED-Kühlung macht.
• Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) - Der WAK in der Z-Achse sollte <50 ppm/°C betragen, um Delaminierung in mehrlagigen Leiterplatten zu verhindern (IC-Substrate erfordern WAK≈6 ppm/°C).

3. Mechanische Leistungsparameter

Die mechanische Festigkeit wirkt sich auf die Montageprozesse und die langfristige Haltbarkeit aus.

• Biegefestigkeit - Standard-FR4 reicht von 400-600 MPa, während flexible Leiterplatten (Polyimid) >200 MPa benötigen.
• Stärke des Peelings - Die Kupferhaftung muss mehr als 1,0 N/mm (IPC-Norm) betragen, um ein Ablösen der Folie beim Löten zu verhindern.
• Wasserabsorption - Geringe Feuchtigkeitsaufnahme (<0,2%) verhindert Blasenbildung; Hochfrequenzlaminate halten normalerweise <0,1%.

4. Strukturelle Merkmale

Fertigungspräzision ist entscheidend für High-Density-Interconnect (HDI) und miniaturisierte Designs.

• Kupferdickentoleranz - Standard 1 oz Kupfer hat eine Toleranz von ±10%, während Präzisionsschaltungen ±5% erfordern.
• Ebene-zu-Ebene-Registrierungsgenauigkeit - HDI-Leiterplatten erfordern eine Ausrichtung von <25 μm, während Standard-Multilayer-Leiterplatten <50 μm erlauben.
• Minimum Spur/Abstand (L/S) - Standard-Leiterplatten verwenden 0,1 mm/0,1 mm, während moderne IC-Substrate 20 μm/20 μm erreichen.

5. Metriken für Zuverlässigkeitstests

PCBs müssen strenge Tests bestehen, um ihre langfristige Stabilität zu gewährleisten.

• Konduktiver anodischer Filamentwiderstand (CAF) - Bewertet Kurzschlussrisiken unter feuchten Bedingungen (85°C/85% RH für 1000 Stunden).
• Oberflächenisolationswiderstand (SIR) - Muss mehr als 10⁸ Ω betragen (gemäß JIS-Normen).
• Thermischer Zyklustest - Übersteht 100 Zyklen (-55°C bis 125°C) ohne Rissbildung (für Leiterplatten in der Automobilindustrie sind strengere Tests erforderlich).

6. Einhaltung von Umwelt- und Verfahrensvorschriften

Umweltvorschriften (z. B. RoHS, REACH) treiben die Entwicklung von PCB-Materialien voran.

• Vergleichender Tracking-Index (CTI) - Medizinische Geräte benötigen Klasse 3 (400-600 V), während industrielle Steuerungen Klasse 2 benötigen.
• Halogenfrei - Der Chlor-/Bromgehalt muss <900 ppm sein, um toxische Emissionen zu reduzieren.
• Schwerentflammbarkeit (UL94) - V-0 ist die höchste Einstufung, die für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt vorgeschrieben ist.

Klassifizierung und Auswahl von PCB-Platten

1. Gängige PCB-Materialien

• FR4 - Standard-Epoxid-Glaslaminat für Unterhaltungselektronik.
• CEM-3 - Verbundsubstrat, kostengünstig für einfache doppelseitige Leiterplatten.
• Hoch-Tg-PCBs (Tg≥170°C) - Hitzebeständig für den Einsatz im Automobil- und Militärbereich.
• Hochfrequenz-Laminate (z. B. Rogers RO4003C) - Niedriges Dk/Df für 5G/Radar-Anwendungen.
• PCBs mit Metallkern (Aluminium/Kupfer) - Hervorragendes Wärmemanagement für LEDs und Leistungsmodule.

2. Vergleich der PCB-Materialsorten

3. Wie wählt man das richtige PCB-Material?

• Hochfrequenz-Anwendungen → Materialien mit niedrigem Dk/Df-Wert (Rogers, Taconic).
• Umgebungen mit hohen Temperaturen → Hoch-Tg (≥170°C) oder Hoch-Td (>325°C) Materialien.
• Wärmeableitung mit hoher Leistung → Metallkern oder hoch wärmeleitfähiges FR4.
• Umweltverträgliche Anforderungen → Halogenfreie, RoHS-konforme Materialien.

Die Auswahl der Leiterplattenparameter wirkt sich direkt auf die Produktleistung, die Zuverlässigkeit und die Kosten aus. Ingenieure müssen je nach Anwendungsszenario (z. B. hohe Frequenz, hohe Temperatur, hohe Leistung) geeignete Leiterplattenmaterialien (z. B. FR4, CEM-3, PCB mit hohem Tg-Wert usw.) auswählen und das Design optimieren, um die Signalintegrität, die Wärmeableitung und die mechanische Festigkeit zu verbessern.