PCB-Laminierung ist ein entscheidender Schritt in PCB-HerstellungDabei wird eine Kernschicht mit den Schaltkreisen zwischen Schichten aus Leiterplattenlaminat eingelegt. Die richtige Laminierung ist entscheidend für die Herstellung einer langlebigen Leiterplatte, die während ihrer gesamten Lebensdauer mechanischen und thermischen Belastungen standhält.
Was genau ist PCB-Laminierung und warum ist sie wichtig? Laminierung bezeichnet den Prozess, bei dem Isoliermaterialschichten, sogenannte Laminate, durch Hitze und Druck dauerhaft mit den leitfähigen Kupferschichten verbunden werden. Dadurch entsteht eine Mehrschichtplatine Die Schaltkreise sind sicher darin versiegelt. Die PCB-Laminierung ist wichtig, da sie für strukturelle Stabilität sorgt und das Kupfer vor der Umgebung schützt. Gleichzeitig dient sie als Isolierung zwischen den leitfähigen Schichten, um Kurzschlüsse zu verhindern.
In diesem Leitfaden für Einsteiger stellen wir die verschiedenen Laminatarten für Leiterplatten vor, erklären den Laminierungsprozess Schritt für Schritt und untersuchen die wichtigsten Faktoren bei der Laminatauswahl. Los geht's!
Verschiedene Arten von Leiterplattenlaminaten
Für die Isolationsschichten einer Leiterplatte werden verschiedene Laminatmaterialien verwendet. Zu den gängigsten gehören:
FR-4-Laminat
Das heute am häufigsten verwendete Laminatmaterial ist FR-4, ein glasfaserverstärktes Epoxidharz. Dieses Material bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung, Kosten und Verfügbarkeit. Die gewebte Glasfaserverstärkung verleiht der Platte mechanische Steifigkeit und Festigkeit. Das Epoxidharzsystem verleiht elektrische Isoliereigenschaften und verbindet die Schichten nach dem Aushärten miteinander.
FR-4-Leiterplattenlaminate sind bei vielen Herstellern in verschiedenen Glasgeweben, Harzgehalten und Gewichten erhältlich. Elektrische Eigenschaften wie Dielektrizitätskonstante kann durch Anpassung der Harzchemie optimiert werden. Aufgrund seiner relativen Erschwinglichkeit und Vielseitigkeit eignet sich FR-4 für viele allgemeine Leiterplattenanwendungen.
CEM-1-Laminat
Für kostenbewusstere Anwendungen können CEM-1-Laminate als kostengünstigere Alternative zu FR-4 verwendet werden. CEM-1 verwendet ein Epoxidharz-Verbundmaterial, das mit Zellulosepapier anstelle von Glasfaser verstärkt ist.
Da Zellulosepapierfasern nicht so fest wie Glasfasern sind, weist CEM-1 geringere mechanische Eigenschaften auf. Es absorbiert zudem mehr Feuchtigkeit. Die Materialkosten sind jedoch deutlich niedriger, was bei geringeren Leistungsanforderungen zu Einsparungen bei den Leiterplattenkosten führt.
Polyimidlaminat
Polyimidfolien wie Kapton bieten hervorragende thermische Stabilität und chemische Beständigkeit. Dadurch eignen sie sich für flexible Leiterplattenanwendungen. Das wiederholte Biegen von Schaltungen erfordert robuste Laminate. Polyimidfolien halten sehr hohen Temperaturen stand, mit Glasübergangstemperaturen von über 300 °C. Diese Hitzebeständigkeit ermöglicht den Einsatz flexibler Schaltungen auf Polyimidbasis in Hochtemperaturumgebungen. Zu den gängigen Anwendungen gehört die Elektronik in der Luft- und Raumfahrt.
Hohe Frequenz/Hohe Geschwindigkeit
Spezielle Leiterplattenlaminate, die für optimale elektrische Leistung entwickelt wurden, werden verwendet in Hochfrequenz PCB und digitale Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten. Wichtige Eigenschaften wie Dielektrizitätskonstante und Verlustfaktor werden minimiert, um die Signalintegrität bei höheren Geschwindigkeiten aufrechtzuerhalten.
Gängige Hochfrequenz-/Hochgeschwindigkeits-Laminatmaterialien umfassen mikroglasfaserverstärkte PTFE-Verbundwerkstoffe (Teflon). Auch keramikgefüllte PTFE-Mischungen werden verwendet. Die präzisen dielektrischen Eigenschaften können an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
Metallbeschichtetes Laminat
Metallkaschierte Laminate bestehen aus dünnen Folienschichten aus Metall wie Kupfer oder Aluminium, die auf einer oder beiden Seiten des dielektrischen Substrats befestigt sind. Dies ermöglicht die Herstellung von Leiterplatten mit Metallkern, die in der Mitte eine Metallschicht zur Verteilung und Ableitung der Wärme haben.
Aluminiumbeschichtete Laminate bieten die höchste Wärmeleitfähigkeit zur Wärmeableitung. Kupferplattierte Laminate verfügen zudem über gute thermische Eigenschaften. Diese metallbasierten Platinen eignen sich ideal für Hochleistungselektronik, bei der das Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung ist.
Schritt-für-Schritt-Erklärung des PCB-Laminierungsprozesses
- Oberflächenvorbereitung
Bei diesem Verfahren werden die Platten gründlich gereinigt, mit gereinigtem Wasser gespült, korrodierte Kupferoberflächen und Fingerabdrücke entfernt und Rückstände entfernt
- Mikroätzung
Beim Mikroätzen wird eine zuvor beschichtete Kupferfolie mit Säure oxidiert. Dieses Verfahren gewährleistet die Gleichmäßigkeit der Kupferschicht und erhält bestimmte Bereiche, wie Pads und Leiterbahnen, die für die Übertragung elektrischer Signale wichtig sind, ohne diese während des Prozesses freizulegen.
- Oberflächenbearbeitung
Mithilfe eines Schwarzoxidbads werden die Leiterplatten einer sorgfältigen Oberflächenbehandlung unterzogen, wodurch die Haftung des Epoxidharzes verbessert und Delaminationsproblemen wirksam vorgebeugt wird.
- Aufbau der inneren Lagen
An diesem Punkt des Prozesses organisiert ein Bediener sorgfältig die inneren Schichten und Prepregs in der richtigen Reihenfolge und verbindet diese mithilfe der Nietmaschine schonend miteinander.
- Vollständige Stapelmontage
Der zusammengesetzte Stapel wird zwischen Kupferfolie und Edelstahlplatten eingeschlossen. Die Stahlplatten verhindern Verformungen und Beschädigungen während der Laminierung. Diese komplette Baugruppe wird in die Laminierpresse gegeben.
- Leiterplattenlaminierung
Die Sandwichbaugruppe gelangt in eine beheizte hydraulische Laminierpresse. Unter Hitze und Druck erweichen und fließen die Prepreg-Schichten, während das Epoxidharz aushärtet. Dadurch verbinden sich die Schichten zu einer festen laminierten Leiterplatte. Die Laminierung einer Leiterplatte dauert unter Hitze und Druck in der Regel 1 bis 2 Stunden.
- Kühlung:
Nach der Laminierung gelangt die ausgehärtete Baugruppe in eine Kühlpresse. Die Abkühlung unter Druck verhindert, dass sich bei sinkenden Temperaturen Verzug und innere Spannungen bilden.
- Entheften
Sobald die Temperatur der laminierten Platte erreicht ist, werden die Edelstahlplatten von dieser abgelöst. Dadurch werden die äußeren Kupferfolienschichten freigelegt.
- Lochausrichtung
Röntgenstrahlen prüfen die Ausrichtung der Löcher in den Innenschichten nach der Laminierung. Jede Verschiebung während des Hochdruck-Verbindungsprozesses wird erkannt. Die Löcher werden entgratet und aufgerieben, bis alle Schichten neu ausgerichtet sind. Dies gewährleistet eine zuverlässige Verbindung zwischen den Leiterplattenschichten.
Zu berücksichtigende Faktoren bei der Auswahl von Leiterplattenlaminat
Angesichts der Fülle an Laminatoptionen ist es wichtig, basierend auf den Produktanforderungen und Überlegungen zum PCB-Design das richtige Material auszuwählen:
Qualitätskontrolle – Fordern Sie von Lieferanten die Vorlage von Nachweisen, dass ihre Laminate die richtigen Materialien verwenden und alle Spezifikationen erfüllen. Überprüfen Sie Testberichte und Qualitätszertifikate, um sicherzustellen, dass die Leiterplatten die Leistungsanforderungen erfüllen. Dielektrizitätskonstante – Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Signalen auf einem PCB-Laminat und die Impedanzkontrolle werden durch die Dielektrizitätskonstante beeinflusst. Eine reduzierte Dielektrizitätskonstante ermöglicht eine schnelle Signalübertragung bei Hochgeschwindigkeitsdesigns.
Verlustfaktor – Bei hohen Frequenzen bestimmt der Verlustfaktor, wie viel Signal durch Absorption im Laminat verloren geht. Ein niedrigerer Verlustfaktor verbessert die Signalintegrität durch Minimierung des Signalverlusts.
Wärmeleitfähigkeit – Sie gibt an, wie schnell sich Wärme durch das Laminat bewegt. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit fördert die effektive Wärmeableitung von heißen Komponenten auf der Platine und sorgt so für eine optimale Temperaturregulierung.
Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) – Dieser Koeffizient gibt die Ausdehnung des Laminats mit jedem Grad Temperaturanstieg an. Die Anpassung des CTE zwischen Laminat und Kupferschichten mindert thermische Spannungen und erhöht die Stabilität der Leiterplatte.
Glasübergangstemperatur (Tg) – Tg markiert den Punkt, an dem das Laminat vom starren in den weichen Zustand übergeht. Um Überhitzungsschäden zu vermeiden, sollte die Tg die maximale Betriebstemperatur der Leiterplatte um mindestens 50 °C übersteigen, um sicherzustellen, dass die Leiterplatte strukturell intakt bleibt.
Oberflächenwiderstand – Stellen Sie sicher, dass der Oberflächenwiderstand des Laminats im idealen Bereich von 103 bis 109 Megaohm pro Quadratmeter liegt. Feuchtigkeit und Temperatur beeinflussen die Werte. Wählen Sie Laminate, die die Anforderungen auch unter den erwarteten Umgebungsbedingungen erfüllen.
Abschließende Überlegungen
Die PCB-Laminierung mag wie ein Fertigungsdetail erscheinen, ist aber ein entscheidender Prozess in der Leiterplattenherstellung. Die Verwendung der richtigen Leiterplatten-Laminatmaterialien und sorgfältige Laminierungsverfahren tragen zur Herstellung zuverlässiger und leistungsstarker Leiterplatten bei. Für optimale Ergebnisse sollten Sie mit einem Hersteller zusammenarbeiten, der über Expertise in der Laminatauswahl und modernste Laminierungsverfahren verfügt. Mit den Grundlagen in diesem Leitfaden für Einsteiger sind Sie nun bereit, tiefer einzusteigen und die Laminierung als integralen Bestandteil Ihres nächsten PCB-Designs zu betrachten. Bei weiteren Fragen wenden Sie sich gerne an Kontakt mit unserem PCB-Spezialisten.
