Richtlinien für die Verwendung von PCB-Material

Gedruckte Leiterplatten spielen in verschiedenen elektronischen Anwendungen eine entscheidende Rolle, da sie zwei Hauptfunktionen erfüllen: Sie stellen zuverlässige elektrische Verbindungen zu Komponenten her und dienen als Träger für diese Komponenten. Damit sie ihre Aufgabe effektiv erfüllen können, ist die Wahl des richtigen Materials für die Herstellung von Leiterplatten entscheidend. Das richtige Material kann die elektrische Leistung verbessern und gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit der Leiterplatte in extremen Umgebungen gewährleisten. In diesem Artikel geht FS Technology auf drei wichtige Aspekte ein: Schaltungsstruktur, Substratmaterial und Materialauswahl.

Bei der PCB-Herstellung verwendete Materialien

Die Struktur der Leiterplatte

Mehrere Teile bilden zusammen eine fertige PCBA-Platine, und dann werden die Komponenten über die Pads, Leitungen und Leiterbahnen auf dem laminierten Kupferblech verbunden. Diese Platine besteht aus Kupferschaltungsschichten, die in ein flaches Laminat-Verbundsubstrat eingebettet oder darauf montiert sind, das Materialien wie Glasfaser und Verbund-Epoxid enthält. Um eine höhere Schaltungsdichte zu erreichen, werden mehrschichtige Strukturen entworfen, die den Bau von Mehrlagen-Leiterplatte bei dem die Schichten durch Hitze miteinander verschmolzen werden, um ein kompaktes, einzelnes Objekt zu schaffen. Lassen Sie uns einen Blick auf die Materialien werfen, die beim Bau der verschiedenen Schichten der Leiterplatte:

Substratschicht

Material der PCB-Substratschicht

Das Substrat dient als Ausgangsmaterial für alle gedruckten Leiterplatten, die die Isolierung für die leitenden Schichten bilden. Bei starren Schaltungen ist das gängigste Bausubstrat FR4-Materialbekannt für seine hervorragende mechanische Festigkeit und elektrische Isolierung. Einige Projekte entscheiden sich jedoch für kostengünstigere Alternativen wie Phenolharze oder Epoxidharze. Bei flexiblen Schaltungen hingegen werden Polyimid- oder Polyestermaterialien verwendet, um der Leiterplatte Flexibilität zu verleihen. Bei Anwendungen mit hoher Leistung, Metallkern-Leiterplatte Substratmaterialien wie Kupfer oder Aluminium werden bevorzugt. Ingenieure müssen die Projektanforderungen und Materialeigenschaften während der Designphase sorgfältig berücksichtigen, um eine optimale Funktionalität und Haltbarkeit des endgültigen Leiterplattenprodukts zu gewährleisten.

Leitende Schicht

Die leitende Schicht ist die entscheidende Kupferschicht, die für die Bildung der elektrischen Pfade oder Leiterbahnen verantwortlich ist und die Verbindungen der Komponenten auf der Leiterplatte ermöglicht. Diese dünne Kupferfolie wird auf eine nichtleitende Unterlage, in der Regel ein glasfaserverstärktes Epoxidharz, aufgebracht, zwischen denen sich mehrere Isolierschichten befinden. Während der PCB-HerstellungsprozessMit Hilfe von Hitze und Klebstoffen wird die Kupferfolie auf die Platine laminiert.

Im Falle eines doppelseitige Leiterplattewerden beide Seiten der Platine mit Kupfer laminiert, um die notwendigen elektrischen Verbindungen herzustellen. Bei mehrlagigen Platinen ist jede Lage mit eigenen Leiterbahnen versehen. Die Dicke des leitenden Kupfermaterials hat direkten Einfluss auf entscheidende elektrische Parameter wie Induktivität, Kapazität und Widerstand.

Die Dicke der Kupferschicht kann in Unzen pro Quadratfuß oder in Mikron pro Quadratzoll angegeben werden, wobei 35 Mikron eine übliche Dicke sind. Die Kupferdicke kann je nach Anzahl der Schichten auf der Platine variieren. Daher ist es wichtig, das Design der leitfähigen Schicht an die Komplexität und Funktionalität des gewünschten Geräts anzupassen.

Für Designer ist es sehr empfehlenswert, die Richtlinien für die PCB-Kupferstärke bevor Sie mit dem Designprozess beginnen. Die Einhaltung dieser Richtlinien stellt sicher, dass die leitfähige Schicht die elektrischen Anforderungen erfüllt und im endgültigen PCB-Produkt optimal funktioniert.

Lötmaske

Verschiedene Farben von Lötstoppmasken bei der Herstellung von Leiterplatten

Die Lötmaske, auch bekannt als Lötstopplack, ist eine Schutzschicht, die über der Kupferschicht auf der Leiterplatte aufgebracht wird. Ihre Hauptfunktion ist die Isolierung und Abschirmung der Kupferbahnen und leitenden Schichten vor direktem Kontakt, um unbeabsichtigte Leitungen und Kurzschlüsse zu verhindern. Indem sie als Barriere dient, schützt die Lötstoppmaske alle Schaltkreise auf der äußeren Schicht der Leiterplatte, sei es während des Lötvorgangs bei der Bestückung oder unter schwierigen Umgebungsbedingungen während der Anwendung.

Grün ist zwar die übliche Farbe, die mit Leiterplatten assoziiert wird, aber die Hersteller bieten eine Vielzahl von Optionen für Lötstoppmaskenfarben an. FS Technology bietet beispielsweise rote, gelbe, weiße und andere Materialien an, mit denen die Designer das Erscheinungsbild ihrer Leiterplatten an ihre Vorlieben oder Anforderungen an das Branding anpassen können.

Siebdruck Schicht

PCB Siebdruck Schichtmaterial

Die Siebdruckschicht befindet sich oberhalb der Lötstoppmaske und dient als wertvolle visuelle Hilfe für den Benutzer. Sie ermöglicht das Hinzufügen von Zahlen, Symbolen und anderen Markierungen, die das Verständnis des Layouts und der Funktionalität der Leiterplatte erleichtern. Indem sie klare Hinweise auf den Zweck und die Rolle der einzelnen Komponenten und Pins auf der Leiterplatte liefert, erleichtert die Siebdruckschicht die Montage, Fehlersuche und Wartungsprozesse.

In der Regel ist der Siebdruck in weißer Farbe gehalten, um eine gute Sichtbarkeit vor dem kontrastreichen Hintergrund der Lötmaske zu gewährleisten. Je nach den Vorlieben des Designers oder den spezifischen Projektanforderungen sind jedoch auch verschiedene andere Farboptionen wie Grau, Rot, Gelb und Schwarz erhältlich.

Gängige PCB-Materialien und ihre Eigenschaften

Wir haben bereits besprochen, aus welchen Materialien die verschiedenen Teile der Leiterplatte bestehen. Als Nächstes werden wir die PCB-Substratmaterialien im Detail analysieren und ihre Eigenschaften vorstellen.

FR-4

FR-4 PCB Trägermaterial

FR4 ist das am weitesten verbreitete und grundlegendste Material für Leiterplatten. Sein vollständiger Name lautet Flame Retardant 4, was auf seine flammhemmenden Eigenschaften hinweist. FR4-Materialien bestehen aus einem Verbundwerkstoff aus Glasfasern und Epoxidharz und werden während des Herstellungsprozesses mit speziellen Additiven angereichert, um ihre thermischen, elektrischen und flammhemmenden Eigenschaften zu verbessern. Dies macht FR4 zu einer idealen Wahl für die Konstruktion von Schaltkreisen mit hoher thermischer Belastung und hoher Geschwindigkeit zu relativ niedrigen Kosten.

Hier finden Sie die technischen Eigenschaften von FR4-Materialien:

  • Dielektrische Konstante: Dieses Material hat eine Dielektrizitätskonstante von 4,4, ist über verschiedene Frequenzbereiche hinweg stabil und eignet sich für eine Vielzahl von Allzweckprojekten.
  • Dielektrischer Verlust: FR4 weist einen geringen dielektrischen Verlust auf, der je nach Hersteller und Sorte typischerweise zwischen 0,015 und 0,035 liegt. Dieser geringe dielektrische Verlust sorgt für eine minimale Signaldämpfung und trägt dazu bei, die Integrität und Qualität der Signale zu erhalten.
  • Wärmeleitfähigkeit: FR4 Leiterplattenmaterialien haben in der Regel eine geringere Wärmeleitfähigkeit, was ihre Fähigkeit zur Wärmeableitung bei Projekten mit hoher Leistung einschränkt. Für Standardanwendungen sind ihre thermischen Eigenschaften jedoch effektiv und ausreichend.
  • Betriebstemperatur: Die Glasübergangstemperatur (Tg) von FR4 liegt bei etwa 130 bis 140°C. Diese Temperatur ist der Punkt, an dem das Material seinen Zustand ändert. Der Tg-Wert von FR4 macht es für Anwendungen geeignet, die moderate Betriebstemperaturen erfordern.
  • Mechanische Festigkeit: FR4 verfügt über eine gute mechanische Festigkeit und Steifigkeit, die ein Verziehen und Biegen verhindert. Dank dieser Robustheit kann die Platine mechanischen Belastungen in verschiedenen Designanwendungen standhalten, z. B. bei industriellen Instrumenten, Automobilprojekten und Unterhaltungselektronik.

PTFE (Teflon)

PTFE-Trägermaterial

PTFE, gemeinhin als Teflon bekannt, ist ein spezielles Material, das in großem Umfang bei der Herstellung von Leiterplatten, Teflon-Laminaten und Klebstoffen verwendet wird. Es verfügt über außergewöhnliche elektrische und thermoelektrische Eigenschaften, die es ideal für Anwendungen in Mikrowellen-, Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzschaltungen machen. Einer der wichtigsten Vorteile dieses Kunststoffs ist sein vernachlässigbarer elektrischer Widerstand, der minimale Signalverluste und eine hervorragende Leistung in Hochfrequenzumgebungen gewährleistet.

Darüber hinaus ist PTFE sehr flexibel und eignet sich daher für Anwendungen mit engen Toleranzen. Es ist außerdem schwer entflammbar und bietet eine bemerkenswerte Temperaturstabilität, so dass es auch anspruchsvollen Betriebsbedingungen standhalten kann.

PTFE kann mit Glasfasern kombiniert werden, um seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Durch die Zugabe von Additiven und speziellen Füllstoffen kann die mechanische Festigkeit der Glasfasern weiter verbessert werden, wodurch die gesamte Materialstruktur verstärkt wird.

Hier finden Sie die technischen Eigenschaften von PTFE-Materialien:

  • Dielektrizitätskonstante: Der Wert der Dielektrizitätskonstante für PTFE ist sehr niedrig, etwa 2,2 bis 2,65.
  • Dielektrischer Verlust: Der dielektrische Verlust ist mit 0,001 bis 0,002 geringer.
  • Wärmeleitfähigkeit: Dieses Material hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Polyimid und FR4
  • Betriebstemperatur: PTFE bietet eine hohe Glasübergangstemperatur von fast 200°C oder höher, wodurch es sich am besten für Schaltkreise mit hoher Leistung und hohen Temperaturen eignet.
  • Hochfrequenzleistung: Seine guten elektrischen Parameter und sein geringer Wert der Dielektrizitätskonstante machen es zum besten Material für Mikrowellen- und Hochfrequenzschaltungen.
  • Chemische Beständigkeit: Dieses Material ist resistent gegen Lösungsmittel und Chemikalien und bietet Schutz vor verschiedenen Umweltbedingungen

Polyimid

Polyimid PCB Trägermaterial

Mit der zunehmenden Komplexität elektronischer Geräte ist die Nachfrage nach flexiblen Laminaten gestiegen, die eine Anpassung an die Anforderungen der Faltung ermöglichen. Im Gegensatz zu herkömmlichen starren Leiterplatten, die Glasfasern zur Unterstützung verwenden, flexible Leiterplatte verwendet Kunststofffolien als Basismaterial. Diese flexiblen Materialien sind äußerst vielseitig und können sowohl bei einmaligen Projekten, wie z.B. Flex-Installationen, als auch bei kontinuierlichen Anwendungen, wie z.B. dynamischem Flex, gleichermaßen effektiv eingesetzt werden.

Auf dem Markt sind verschiedene flexible Materialien erhältlich, darunter Polyimid, LCP (Flüssigkristallpolymer), Polyester und PEN. Unter diesen Optionen, Polyimid-Leiterplatte zeichnet sich durch seine hervorragende thermische Stabilität aus und eignet sich daher gut für den Einsatz unter hohen Temperaturen.

Hier finden Sie die technischen Eigenschaften von Polyimid-Materialien:

  • Dielektrische Konstante: Der Wert der Dielektrizitätskonstante für Polyimid liegt bei etwa 3,3.
  • Dielektrischer Verlust: Polyimid hat auch weniger dielektrische Verluste, der Wert liegt bei 0,003 bis 0,006.
  • Wärmeleitfähigkeit: es hat auch eine geringere Wärmeleitfähigkeit, die normalerweise zwischen 0,12 und 0,15 W/(m K) liegt. 
  • Betriebstemperatur: Polyimid-Materialien haben eine hohe Glasübergangstemperatur (Tg) von mehr als 250°C.
  • Flexibilität: Wird bei Projekten verwendet, bei denen Platinen gebogen oder in verschiedene Formen gebracht werden müssen, wie z.B. bei tragbaren Geräten.
  • Chemische Beständigkeit: Dieses Material ist beständig gegen verschiedene Chemikalien und Lösungsmittel und daher die beste Wahl für korrosive Umgebungen.

Rogers Material

Rogers PCB-Substrat-Materialien

Die Rogers Corporation ist ein bekannter Hersteller von Hochfrequenz-Laminaten, die speziell für Mikrowellenschaltungen und Projekte mit hohen Frequenzen hergestellt werden.

Hier sind die technischen Merkmale von Rogers PCB Materialien zur Verfügung gestellt:

  • Dielektrische Konstante: Die Materialien von Rogers bieten verschiedene Werte für die Dielektrizitätskonstante, von einem Minimum von 2,2 bis zu hohen Werten von mehr als 10, was bei Hochfrequenzdesigns hilfreich ist. Ingenieure können die besten Dk-Werte je nach den gewünschten Eigenschaften auswählen.
  • Dielektrischer Verlust: Diese Materialien haben einen geringeren dielektrischen Verlust, etwa 0,001 bis 0,005. 
  • Wärmeleitfähigkeit: Einige Arten von Rogers-Materialien haben eine höhere Wärmeleitfähigkeit als herkömmliche Plattenmaterialien.
  • Betriebstemperatur: Ihr Tg-Wert ist hoch und liegt bei über 250°C, was ihre Zuverlässigkeit unter Hochtemperaturbedingungen sicherstellt.

CEM-3

cem PCB Trägermaterial

CEM-3 oder Composite Epoxy Material 3 ist eine kostengünstigere Option als FR4-Material, die die gleichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften aufweist. Es wird aus gewebtem Stoff und Epoxidharz hergestellt und mit Zellulosepapier als Füllmaterial versetzt.

Hier finden Sie die technischen Merkmale der CEM-3 Materialien:

  • Dielektrische Konstante: Der Wert der Dielektrizitätskonstante für CEM-3 liegt bei etwa 4,6.
  • Dielektrischer Verlust: Dieses Material hat einen höheren Wert an dielektrischen Verlusten als FR-4, etwa 0,02 bis 0,035.
  • Wärmeleitfähigkeit: Normalerweise zwischen 0,25 und 0,35 W/(m K), etwas niedriger als FR4-Materialien.
  • Betriebstemperatur: Sein Tg-Wert liegt bei 135 bis 140 °C, wie beim Standard FR-4. Dieser Temperaturwert ist am besten für elektronische Schaltungen geeignet, die moderate thermische Anforderungen haben.
  • Kosten-Nutzen-Verhältnis: Es wird meist aus Kostengründen im Vergleich zu anderen Materialien wie Polyimid und speziellen Hochfrequenzlaminaten verwendet.

Leitfaden für die Materialauswahl bei der PCB-Herstellung

Elektrische Leistung

Bei der Auswahl der Materialien für PCB-FertigungIn erster Linie geht es um die elektrische Leistung, da sie sich direkt auf die Übertragung von elektrischen Signalen und die Gesamtfunktionalität der Leiterplatte auswirkt.

  • Dielektrische Konstante: Auch bekannt als die relative Dielektrizitätskonstante, bestimmt, wie ein Material die Geschwindigkeit beeinflusst, mit der sich elektrische Signale durch es hindurch bewegen. In der Hochfrequenztechnik werden Materialien mit niedrigeren Werten der Dielektrizitätskonstante bevorzugt, um Signalverzerrungen zu reduzieren und eine effiziente Signalübertragung zu gewährleisten.
  • Dielektrischer Verlust: Dieser Parameter, der auch als Verlustfaktor bezeichnet wird, quantifiziert die Energiemenge, die bei der Signalübertragung als Wärme verloren geht. Materialien mit niedrigen dielektrischen Verlustwerten sind für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzschaltungen sehr vorteilhaft, da sie die Signaldämpfung minimieren und zur Aufrechterhaltung der Signalqualität beitragen.
  • Signalintegrität: Bei bestimmten Projekten ist die Aufrechterhaltung der Signalqualität von größter Bedeutung, um Probleme wie Signalreflexion, Übersprechen und Impedanzfehlanpassung zu vermeiden. Leiterplattenmaterialien mit kontrollierten Impedanzparametern spielen eine entscheidende Rolle bei der Wahrung der Signalqualität und der Reduzierung der Signaldämpfung.

Thermische Leistung

Thermische Parameter spielen eine entscheidende Rolle bei Projekten, bei denen große Hitze erzeugt wird oder die unter Hochtemperaturbedingungen betrieben werden. Ein effektives Wärmemanagement gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb und verlängert die Langlebigkeit der Komponenten.

  • Wärmeleitfähigkeit: Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit leiten die Wärme effizient von den Komponenten ab, minimieren das Risiko einer Überhitzung und gewährleisten einen zuverlässigen Betrieb.
  • Thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE): Der WAK misst, wie stark sich ein Material bei Temperaturschwankungen zusammenzieht oder ausdehnt. Die Wahl von Materialien mit kompatiblen Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Leiterplatte und die Komponenten verringert die mechanische Belastung bei Temperaturschwankungen und hilft, Schäden an Lötstellen zu vermeiden.
  • Tg (Glasübergangstemperatur): Der Tg-Wert gibt die Temperatur an, bei der das Plattenmaterial von einem starren in einen flexiblen Zustand übergeht. Materialien mit hoher Tg werden bei Projekten verwendet, bei denen es zu Temperaturschwankungen während des Betriebs oder der Herstellung kommt.
  • Fähigkeit zur Wärmeableitung: Materialien mit guten Wärmeableitungseigenschaften sind unerlässlich, um einen unnötigen Temperaturanstieg in den verschiedenen Komponenten zu vermeiden.

Mechanische Stärke

Die mechanische Festigkeit von Leiterplattenmaterialien, die strukturelle Qualität und die Fähigkeit der Leiterplatte, mechanischen Belastungen während der Produktion, des Transports und der Anwendung standzuhalten.

  • Flexibilität vs. Starrheit: Je nach Anwendung können PCBs entweder starr oder flexibel sein. Flexible Materialien wie Polyimid oder Polyester sind ideal für Projekte, die gebogen werden müssen, oder für Designs, bei denen der Platz begrenzt ist.
  • PCB-Dicke: Die Dicke der Platte hat einen direkten Einfluss auf ihre mechanische Festigkeit. Dicke Pappen bieten eine sehr steife Struktur und eine verbesserte Haltbarkeit, während dünne Pappen für Projekte mit begrenztem Platzangebot geeignet sind.
  • Widerstandsfähig gegen mechanische Stöße und Vibrationen: Materialien mit guten Dämpfungseigenschaften sind für Anwendungen, die mechanischen Stößen oder Vibrationen ausgesetzt sind, unerlässlich. Diese Dämpfungseigenschaften tragen dazu bei, stressbedingte Ausfälle zu minimieren und die Zuverlässigkeit der Karte unter schwierigen Bedingungen zu gewährleisten.

Chemische Beständigkeit

Insbesondere für Industrien, die unter rauen Bedingungen arbeiten, müssen Designer die Fähigkeit von Leiterplattenmaterialien berücksichtigen, dem Einfluss von Chemikalien und verschiedenen Umweltparametern zu widerstehen.

  • Umweltexposition: Die chemische Beständigkeit schützt die Karte vor Degradation und Korrosion und gewährleistet so ihre Langlebigkeit und Zuverlässigkeit in anspruchsvollen Umgebungen.
  • Feuchtigkeitsresistenz: Materialien mit guter Feuchtigkeitsresistenz verhindern die Feuchtigkeitsaufnahme und reduzieren so Probleme wie Delamination und elektrische Fehlfunktionen, die durch das Eindringen von Wasser verursacht werden.
  • Umweltvorschriften: Auswahl von Materialien, die RoHS-konform stellt sicher, dass die PCBs umweltfreundlich sind und keine Gefahr für die menschliche Gesundheit oder die Umwelt darstellen.

Andere Aspekte

  • Kosten und Verfügbarkeit: Bei jedem Projekt sind die Kostenparameter entscheidend, denn die Wahl des Leiterplattenmaterials wirkt sich direkt auf die Gesamtproduktionskosten aus. Außerdem variiert die Verfügbarkeit von Materialien je nach Anbieter und Region. Es ist wichtig, ein Gleichgewicht zwischen den gewünschten Funktionen und den Budgetvorgaben zu finden.
  • Herstellungsprozess: Das ausgewählte Leiterplattenmaterial muss mit dem gewünschten Herstellungsprozess kompatibel sein. Einige Materialien können spezielle Herstellungsmethoden erfordern, wie z.B. die Handhabung in einer kontrollierten Umgebung und die Laminierung bei hohen Temperaturen. Es ist wichtig, die Durchführbarkeit und die finanzielle Effizienz des Herstellungsprozesses unter Verwendung des gewählten Leiterplattenmaterials zu bewerten.
  • Besondere Anforderungen: Jedes elektronische Gerät hat seine eigenen Anforderungen, und die Auswahl der Leiterplattenmaterialien sollte sich an diesen spezifischen Bedürfnissen orientieren. Bei einigen Anwendungen werden bestimmte Eigenschaften wie Hochfrequenzleistung bevorzugt, während bei anderen das Wärmemanagement oder die Kosteneffizienz im Vordergrund stehen.

Verwandte Blogs

Refrigerator PCB

Eine Einführung in die PCB (Printed Circuit Board) des Kühlschranks Inhaltsverzeichnis Die PCB des Kühlschranks ist die wichtigste Komponente Ihres Kühlschranks. Sie sorgt für die Funktion des Kühlschranks

Mehr lesen "

Wir würden uns freuen, von Ihnen zu hören