PCB-Dielektrikum ist ein nichtleitendes Material und spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Leiterplatten. Es dient als Isolator und Barriere zwischen den leitenden Schichten, um direkte Verbindungen zu vermeiden und die Signale klar zu halten. Mit zunehmender Integration ist die Wahl des Dielektrikums für Leiterplatten entscheidend, um eine zufriedenstellende Leistung in kritischen Anwendungen zu erreichen. In diesem Blogbeitrag besprechen wir vier häufig verwendete PCB-Dielektrika und geben Tipps zur Auswahl des besten Materials. Beginnen wir mit der Definition.
Was sind dielektrische Materialien?
Dielektrika sind Materialien, die keine Leitfähigkeit aufweisen und elektrische Ladungen speichern und ihren Fluss durch das Material verhindern können. Zwei Eigenschaften zeichnen diese Materialien aus: Die Dielektrizitätskonstante gibt an, wie gut das Material elektrische Energie speichern und übertragen kann. Die andere ist Verlustfaktor, der angibt, wie schlecht Materialien elektrische Energie speichern können. Ein dielektrisches Material in Leiterplatten wird zwischen den Leiterbahnen und an Stellen zur elektrischen Isolierung verwendet, um Kurzschlüsse oder Signalstörungen zu vermeiden. Die in der Platine verwendeten dielektrischen Materialien ermöglichen die Kapazität der Platine, was in Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsschaltungen unerlässlich ist. Ihre Werte beeinflussen die elektrische, thermische und mechanische Leistung der Leiterplatte, einschließlich der Dielektrizitätskonstante, der Wärmeleitfähigkeit und der mechanischen Festigkeit des Materials.
Arten von PCB-Dielektrika
FR-4 (Flammhemmend 4)
FR-4 (Flame Retardant 4) ist eines der beliebtesten dielektrischen Materialien zur Herstellung von Leiterplatten. Es handelt sich um einen FC-Verbundwerkstoff aus verstärkter Glasfaser und Epoxidharzbinder. FR-4 verfügt über einen guten elektrischen Widerstand, gute mechanische Eigenschaften und eine gute Feuerbeständigkeit und ist daher in zahlreichen Anwendungen einsetzbar. Aufgrund der vergleichsweise hohen Dielektrizitätskonstante von FR-4 sind seine Einsatzmöglichkeiten in Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitssystemen jedoch etwas eingeschränkt.
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CEM-1, CEM-2 und CEM-3
CEM-1, CEM-2 und CEM-3 sind keramikgefüllte Verbunddielektrika, die häufig in Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-LeiterplattenDiese Materialien haben eine niedrigere Dielektrizitätskonstante und einen niedrigeren Verlustfaktor als FR-4, wodurch Signalverluste und Signalverschlechterung geringer sind. Sie weisen außerdem hohe Wärmekoeffizienten auf, die die im System erzeugte Wärme besser regulieren. Diese Materialien sind jedoch in der Regel teuer und erfordern spezielle Herstellungsverfahren.
Polytetrafluorethylen (PTFE)
Polytetrafluorethylen (PTFE) ist ein Fluorpolymer mit elektrischen Eigenschaften wie Dielektrizitätskonstante und Verlustfaktor. Dielektrische Materialien aus PTFE-Polymer eignen sich ideal für Hochfrequenzschaltungen und Mikrowellensignalübertragung sowie für Schaltungen, die in chemisch aggressiven Umgebungen und bei hohen Temperaturen eingesetzt werden. Sie sind jedoch im Vergleich zu anderen Materialien teurer und weisen oft sehr eingeschränkte mechanische Eigenschaften auf.
Polyimid
Polyimid ist ein dielektrisches PCB-Material, das aufgrund seiner thermischen Stabilität, geringen Feuchtigkeitsaufnahme und seines guten dielektrischen Wertes in Anwendungen mit hohen Betriebstemperaturen eingesetzt werden kann. Dieses Material wird häufig verwendet in flexible und starrflexible Schaltungen und in Schaltkreisen, die bei hohen Temperaturen verwendet werden müssen oder aggressiven chemischen Stoffen ausgesetzt sind. Sie können jedoch teurer sein und ihre Verarbeitung ist manchmal komplexer.
Zu berücksichtigende Eigenschaften bei der Auswahl dielektrischer PCB-Materialien
Bei der Auswahl dielektrischer Materialien für Leiterplatten müssen die folgenden vier Schlüsseleigenschaften berücksichtigt werden:
Elektrische Eigenschaften
- Dielektrizitätskonstante (DK)
Dies gibt an, wie viel elektrische Energie das Material basierend auf der Dielektrizitätskonstante speichern kann. Diese Eigenschaft beeinflusst sowohl die Signalgeschwindigkeit als auch die Impedanz. Niedrige DK-Werte sind bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen wünschenswert.
- Verlustfaktor (DF)
Der Verlustfaktor bestimmt die dielektrischen Verluste. Werte mit niedrigeren DF-Werten eignen sich für den Hochfrequenzbereich. Er beeinflusst die Signaldämpfung und die Leistung.
- Elektrische Festigkeit
Die elektrische Festigkeit bezeichnet die Intensität elektrischer Spannung, der ein Material standhalten kann, bevor es versagt. Dies ist bei Hochspannungsanwendungen sehr wichtig, um Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten.
Thermische Eigenschaften
- Glasübergangstemperatur (Tg)
Dies ist die Temperatur, bei der ein Polymer von einem harten, glasartigen in einen weichen, gummiartigen Zustand übergeht. Für mechanische Anwendungen, insbesondere bei hohen Temperaturen, werden tendenziell Materialien mit hoher Tg verwendet.
- Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)
Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) definiert das Ausmaß der Ausdehnung oder Schrumpfung des Materials bei Temperaturänderungen. Ein weiterer Aspekt ist, den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) der verwendeten dielektrischen Materialien dem von Kupfer anzugleichen, um mechanische Belastungen und Ausfälle bei Dauerbetrieb oder Temperaturwechselbelastung zu minimieren.
- Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie effektiv ein Material Wärmeströme vom Hochtemperaturbereich in den Niedertemperaturbereich übertragen kann. Eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit erleichtert somit die effiziente Wärmeableitung, was insbesondere bei elektronischen Schaltungen wichtig ist.
Chemische Eigenschaften
- Feuchtigkeitsaufnahme
Die Feuchtigkeitsaufnahme gibt an, wie viel Wasser ein Material aufnehmen kann. Um die elektrischen Eigenschaften und Eigenschaften wie Delamination nicht zu beeinträchtigen, ist eine geringere Feuchtigkeitsaufnahme wünschenswert.
- Chemische Resistenz
Diese Eigenschaft misst die Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber Flüssigkeiten, Lösungsmitteln, Säuren und anderen Chemikalien. Sie ist ein wichtiger Parameter, um zu messen, ob eine Leiterplatte in rauen Umgebungen eingesetzt werden kann.
Fazit
Die Wahl des dielektrischen Materials für die Leiterplatte ist ein sehr wichtiger Faktor. Es kann die Leistung der Leiterplatte, ihre Zuverlässigkeit und ihre Eignung für den vorgesehenen Zweck erheblich beeinflussen. Wie in diesem Blog erwähnt, hat jedes dielektrische Material unterschiedliche Eigenschaften, darunter elektrische, thermische, mechanische und chemische. Sind Sie sich noch nicht sicher, welches Material für Ihr Projekt am besten geeignet ist? Kontaktaufnahme. Unsere Ingenieure stehen Ihnen jederzeit zur Verfügung und beraten Sie optimal bei der Auswahl des richtigen dielektrischen Materials für Leiterplatten.
