Zur Unterstützung Ihrer Designleistungsanforderungen stehen zahlreiche Materialien zur Auswahl, angefangen bei FR-4 ganz unten bis hin zu einer breiten Palette von Hochgeschwindigkeitsmaterialien zwischen FR-4 und Teflon.
Die Qualität der verwendeten Materialien hat erheblichen Einfluss auf die Wirksamkeit und Langlebigkeit Ihrer Leiterplatte. Durch die Auswahl hochwertiger Materialien können Sie sicherstellen, dass Ihre Leiterplatte nicht nur ordnungsgemäß funktioniert, sondern auch die erwartete Lebensdauer Ihres Produkts überdauert.
Wenn Sie falsche Materialien auswählen, kann es sein, dass Ihre Leiterplatte und das Produkt, in dem sie sich befindet, nicht wie vorgesehen funktionieren. Daher spielt der Materialauswahlprozess eine entscheidende Rolle für den Erfolg Ihres PCB-Designs und die Gesamtfunktionalität Ihres Produkts.
In diesem Artikel finden Sie die gängigsten Materialarten und wichtige Überlegungen zur Auswahl der richtigen Leiterplattenmaterialien.
Was ist PCB-Material?
Unter PCB-Material versteht man das Grundmaterial, aus dem die Leiterplatte besteht. Es bildet die strukturelle Grundlage und elektrische Isolierung für die Schaltkreiskomponenten und Verbindungen.
Die Wahl des Materials spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften der Leiterplatte und wirkt sich letztendlich auf deren Leistung und Zuverlässigkeit in verschiedenen elektronischen Anwendungen aus.
Aus welchem Material besteht eine Leiterplatte?
Leiterplatten bestehen typischerweise aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien. Zu den Hauptmaterialien, die beim Bau einer Leiterplatte verwendet werden, gehören:
Substratmaterial
Das Substrat, auch Basismaterial oder PCB-Laminat genannt, bildet das Fundament der Leiterplatte. Das am häufigsten verwendete Substratmaterial ist FR-4 (Flame Retardant 4), ein glasfaserverstärktes Epoxidlaminat. FR-4 bietet hervorragende elektrische Isolierung, mechanische Festigkeit und Hitzebeständigkeit. Abhängig von den spezifischen Designanforderungen werden auch andere Substratmaterialien wie FR-2, FR-1, CEM-1 und Polyimid (für flexible Leiterplatten) verwendet.
Kupferfolie
Zur Herstellung der Leiterbahnen auf der Leiterplatte wird Kupferfolie verwendet. Es wird typischerweise durch Hitze und Klebstoff auf das Trägermaterial laminiert. Die Kupferfolie dient als leitende Schicht für die Weiterleitung elektrischer Signale und die Stromverteilung auf der gesamten Leiterplatte.
Loetmaske
Die Lötstopplack, auch als Lötstopplack bekannt, ist eine Schutzschicht, die über den Kupferleiterbahnen und -pads auf der Leiterplatte aufgetragen wird. Es besteht normalerweise aus Materialien auf Epoxidbasis, die ausgehärtet werden, um eine dauerhafte und elektrisch isolierende Beschichtung zu bilden. Der Lötstopplack verhindert Lötbrücken, schützt vor Korrosion und sorgt für einen visuellen Kontrast zur einfacheren Montage und Inspektion.
Seidensiebdruck
Die Siebdruckschicht ist eine zusätzliche Schicht, die über der Lötmaske aufgetragen wird. Es enthält gedruckten Text, Symbole und Markierungen, die Komponentenreferenzen, Teilenummern und andere nützliche Informationen für den Zusammenbau und die Identifizierung bereitstellen.
Zusätzlich zu diesen Primärmaterialien können Leiterplatten auch verschiedene zusätzliche Materialien wie Durchkontaktierungen, Lötpaste, Lötmaskenöffnungen (sogenannte Lötmaskenfenster) und spezielle Beschichtungen für bestimmte Anwendungen oder Umweltaspekte enthalten.
Die am häufigsten für die Leiterplattenherstellung verwendeten Materialien
Fr4-Leiterplattenmaterial
FR-4 ist ein häufig verwendetes Material bei der Leiterplattenherstellung. Es handelt sich um ein flammhemmendes Laminat, das den Standards der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) entspricht. FR-4 besteht aus einer Schicht Glasgewebe in Kombination mit einem Epoxidharzbindemittel. Es ist seit über 50 Jahren im Einsatz und wurde weiterentwickelt, so dass es Dauerbetriebstemperaturen von bis zu 180 °C standhält. Allerdings verfügt FR4 nicht über den besten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) und die besten elektrischen Eigenschaften für eine hochwertige Signalgeschwindigkeit, weshalb das Material bei der Leiterplattenherstellung seltener verwendet wird.
Rogers PCB-Material
Rogers-Materialien sind spezielle Laminate für Hochfrequenzanwendungen, insbesondere in HF- und Mikrowellenschaltungen. Diese Materialien zeichnen sich durch einen geringen dielektrischen Verlust, eine hervorragende Signalintegrität und kontrollierte Impedanzeigenschaften aus. Rogers-Materialien sind in verschiedenen Formulierungen erhältlich, um spezifische Frequenz- und Leistungsanforderungen zu erfüllen.
Metal
Für Leiterplatten werden immer noch traditionelle Materialien wie Kupfer, Aluminium und Eisen verwendet. Diese Materialien ermöglichen die Integration von Komponenten Oberflächenmontagetechnologie (SMT). Sie bieten auch mechanische Haltbarkeit. Daher ist die Produktlebensdauer metallbasierter Leiterplatten deutlich länger.
PTFE (Teflon)
PTFE-basierte Materialien wie Teflon werden hauptsächlich in Spezialanwendungen eingesetzt, die eine außergewöhnliche Leistung in Hochfrequenz- und HF-/Mikrowellenschaltungen erfordern. Diese Anwendungen erfordern häufig eine präzise Impedanzsteuerung, geringe Signalverluste und stabile elektrische Eigenschaften über einen weiten Frequenzbereich. Zu diesen Anwendungen können Luft- und Raumfahrt, Telekommunikation, Radarsysteme und andere fortschrittliche HF-/Mikrowellentechnologien gehören.
FR-2
FR-2 ist ein Papierlaminatmaterial auf Phenolbasis. Es wird üblicherweise für einseitige und doppelseitige Leiterplatten verwendet. FR-2 hat im Vergleich zu FR-4 mäßige elektrische Isolationseigenschaften und eine geringere mechanische Festigkeit. Es wird häufig in kostengünstigen Unterhaltungselektronik- und Allzweckanwendungen eingesetzt.
Flexibles PCB-Material
Polyimid ist ein flexibles Substratmaterial, das hohen Temperaturen standhält. Es wird häufig in verwendet flexible Leiterplatten (FPCBs) und Starrflex-Leiterplatten, bei denen sich die Platine biegen oder biegen muss, ohne zu brechen. Polyimid bietet eine gute elektrische Isolierung und thermische Stabilität.
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Anwendungen von PCB-Materialien
Material | Typische Anwendung |
| RO3000 | |
| R04000 | |
Polytetrafluorethylen (PTFE)
Der bekannteste Markenname auf PTFE-Basis ist Teflon. Dieses Material bietet Temperaturstabilität und einen niedrigen Verlustfaktor. | |
Polyimid
Gute elektrische Eigenschaften, großer Temperaturbereich und hohe chemische Beständigkeit. | |
PEEK
Hoher Schmelzpunkt und beständig gegen Chemikalien, Strahlung und extreme Temperaturen. | |
Aluminium oder Aluminiumoxid (Al2O3)
Die gebräuchlichste Keramik-Leiterplatte. Starkes thermisches Dielektrikum mit geringer Ausdehnung. Außergewöhnliche Hochfrequenzleistung. Betriebstemperatur bis 350˚C. | Kühlen und Heizen LED-Platinen Medizinische Kreisläufe Sensormodule Hochfrequenzgeräte
|
Aluminiumnitrid (AlN)
Hohe Wärmeleitfähigkeit; hohe thermische Festigkeit bei geringer Ausdehnung. Wird häufig als Substrat oder Verpackung verwendet. | |
Berylliumoxid (BeO)
Bei der Bearbeitung hochgiftig. Wird wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und geringen Ausdehnung verwendet. | |
Richtlinien zur PCB-Materialauswahl
Die Auswahl des richtigen Leiterplattenmaterials ist entscheidend für den Erfolg Ihres Projekts. Hier sind einige Schlüsselfaktoren, die Sie bei der Auswahl des PCB-Materials berücksichtigen sollten:
Design und Zweck der Leiterplatte: Berücksichtigen Sie die gesamten Designelemente und den beabsichtigten Zweck der Leiterplatte. Bestimmen Sie die erforderliche Signalintegrität, Umgebungsbedingungen und alle spezifischen Funktionalitätsanforderungen. Dadurch lässt sich feststellen, ob eine flexible oder starre Platine erforderlich ist und ob die Platine hohen Temperaturen standhalten muss.
Schwellenwerte für Wärmeübertragung, Leitfähigkeit und Leistung: Bei den heutigen Hochgeschwindigkeitssignalen ist Überhitzung bei einer Vielzahl von Produkten Realität, insbesondere bei solchen mit integrierter Kamera wie Mobiltelefonen und Laptops.
Aufstapeln: Bestimmen Sie anhand der Designanforderungen, ob ein einschichtiger oder mehrschichtiger Aufbau erforderlich ist. Berücksichtigen Sie die Impedanzanforderungen und wie der gewählte Aufbau zu den mechanischen Einschränkungen des Geräts passt.
Mechanische Festigkeit: Stellen Sie sicher, dass die ausgewählten Materialien sowohl elektrische als auch mechanische Festigkeit bieten. Berücksichtigen Sie den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) der Materialien, da er in der Mikroelektronik von entscheidender Bedeutung ist, um sicherzustellen, dass die Leiterplatte bei wechselnden Temperaturen ordnungsgemäß funktioniert.
Elektrische Signalintegrität: Abhängig von der Funktion der Platine können Sie sie in Hochfrequenz, hohe Leistung, hohe Dichte oder Mikrowelle kategorisieren. Wählen Sie Materialien aus, die die Signalintegrität basierend auf dem jeweiligen Platinentyp aufrechterhalten können.
Komponentenstandort: Achten Sie auf die Position der Komponenten, um Interferenzen oder Rauschen zu vermeiden, die die Signalintegrität beeinträchtigen können. Positionieren Sie die Komponenten richtig, um Signalstörungen zu minimieren.
Flexibilität: Wenn Flexibilität erforderlich ist, sollten Sie die Verwendung eines Starrflex-Boards in Betracht ziehen, das flexible und starre Materialien kombiniert. Dadurch kann das Brett in verschiedene Formen gebogen oder gefaltet werden. Für Anwendungen, die dünne und flexible Schaltkreise erfordern, sollten Sie die Verwendung flexibler Materialien in Betracht ziehen.
Materialkosten: Bewerten Sie die Kostenauswirkungen der Materialien, insbesondere wenn die Platine Gold, blinde oder vergrabene Durchkontaktierungen oder Durchkontaktierungsfüllungen enthält. Diese Merkmale erfordern möglicherweise zusätzliche Herstellungsprozesse. Bedenken Sie, dass sich Linien- und Breitenabstände unter 6 mil sowie bestimmte Optionen für die Oberflächenbeschaffenheit ebenfalls auf die Kosten auswirken können.
Auswahl von Leiterplattenmaterialien durch VictoryPCB
Die Wahl des falschen Materials kann Ihr PCB-Projekt erheblich verzögern oder sich auf Ihr Budget auswirken. Daher ist es wichtig, von Anfang an einen erfahrenen Fachmann zu konsultieren. Bei VictoryPCB arbeiten unsere erfahrenen Ingenieure von Anfang an mit den Kunden zusammen und beraten sie zu Materialien, Aufbau und Design für die Herstellbarkeit.
Unsere Fertigungskapazitäten ermöglichen es uns, maßgeschneiderte PCB-Lösungen anzubieten, einschließlich spezieller Materialauswahl, Aufbaudesign und Impedanzkontrolle, um Ihre genauen Spezifikationen zu erfüllen.
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