In der Elektronik sind Leiterplatten die heimlichen Helden, die für ein reibungsloses Zusammenspiel sorgen. Sie sind wie die Straßen, die alle Stadtteile miteinander verbinden und Signale dorthin leiten, wo sie hin müssen. Und genau wie Sie Straßen aus zuverlässigen Materialien wünschen, die dem Verkehr standhalten, sollten Ihre Leiterplatten robust gebaut sein. Die Wahl des Leiterplattenmaterials ist entscheidend. Es bestimmt die Leistung und Haltbarkeit Ihres Geräts im täglichen Gebrauch. Glücklicherweise steht Ihnen eine vielfältige Materialauswahl zur Verfügung, die Ihre spezifischen Designanforderungen erfüllt. Dieser Leitfaden stellt Ihnen die wichtigsten verfügbaren Leiterplattenmaterialien vor und erklärt, was jedes einzelne einzigartig macht. Also los geht‘s!
Woraus bestehen Leiterplatten?
In diesem Abschnitt stellen wir hauptsächlich die wichtigsten Schichten vor, aus denen die Leiterplatte besteht, und die dafür verwendeten Materialien:
- Substratschicht
Der PCB Substratschicht ist wie das Fundament eines Hauses – es ist die Basis, auf der alles andere einer Leiterplatte aufbaut. Normalerweise besteht diese Schicht aus Glasfaser, die Leiterplatten ihre typische Steifigkeit verleiht. Glasfaser ist jedoch nicht das einzige verfügbare Material.
Substrate können auch aus Epoxidharzen, CEM-1, G-11, isoliertem Metall, FR-1 oder Polyimid hergestellt werden. Jedes Material hat seine eigenen Eigenschaften, die Ingenieure je nach Wärmebelastbarkeit der Leiterplatte oder Dielektrizitätskonstante auswählen. FR-4 ist jedoch mit Abstand die beliebteste Option.
- Leitfähige Schicht
Wenn die Substratschicht die Grundlage einer Leiterplatte bildet, kann man sich die leitfähige Schicht als die Verkabelung vorstellen, die alles am Laufen hält. Diese Schicht besteht aus dünnen Kupferleiterbahnen, die Signale und Strom durch die gesamte Schaltung übertragen.
Kupfer hat sich zum bevorzugten Material für die leitfähige Schicht entwickelt, da es ein hervorragender Leiter und günstiger als andere Materialien wie Silber oder Gold ist. Zwar sind diese Materialien etwas leitfähiger, aber Kupfer erfüllt für die meisten Anwendungen die Anforderungen.
Der leitfähige Spuren auf einer Leiterplatte sind wie winzige Kupferautobahnen, die Strom zu allen Komponenten leiten. Die Anordnung und Gestaltung dieser Leitungen sind äußerst wichtig, um eine schnelle und effiziente Signalübertragung zu gewährleisten.
- Lötmaskenschicht
Die Lötstoppmaske, eine dünne, kunststoffartige Beschichtung, wird über die Kupferbahnen gelegt. PCB-BoardDiese Schicht wirkt als Isolator und verhindert, dass sich beim Bestücken der Leiterplatte Lötzinn zwischen benachbarten Kupferbahnen bildet. Die Lötstoppmaske spielt daher eine Schlüsselrolle bei der Vermeidung unerwünschter elektrischer Verbindungen. Indem sie nur die vorgesehenen Lötstellen freilegt, leitet die Lötstoppmaske das Lötzinn zu korrekten Verbindungen und vermeidet Kurzschlüsse. Je nach Anwendungsmethode werden für Lötstoppmasken verschiedene Materialien verwendet: Epoxidharz, Trockenfilm und flüssiges, fotostrukturierbares Material.
- Siebdruckschicht
Der Siebdruckschicht auf einer Leiterplatte ist wie ein Fahrplan für den Bau der Elektronik. Diese Epoxidfarbe wird im letzten Schritt auf die Leiterplatte gedruckt. Sie zeigt mit hilfreichen Beschriftungen und Markierungen, wo jedes Bauteil platziert werden soll. Neben der Beschriftung enthält der Siebdruck auch wichtige Warnhinweise oder Logos des Herstellers. All diese kleinen, mit weißer Tinte gedruckten Symbole und Codes bieten wichtige Hinweise für den Bau und die Fehlersuche.
Gängige Arten von PCB-Material
- FR-4 (Flammhemmend 4)
FR-4 hat sich aufgrund seiner optimalen Kombination aus erschwinglichem Preis, zuverlässiger Leistung und einfacher Herstellung zum vorherrschenden Material für Leiterplatten entwickelt. Es besteht aus einem gewebten Glasfasergewebe, das mit Epoxidharz imprägniert und mit einem flammhemmenden Material verstärkt ist. FR-4-Leiterplatten Sie bieten effektive elektrische Isolierung und strukturelle Robustheit und bleiben gleichzeitig bei hohen und niedrigen Temperaturen funktionsstabil. Diese Vielseitigkeit macht FR-4 zu einer geeigneten Wahl für Leiterplatten in verschiedenen Produkten, darunter Unterhaltungselektronik, Telekommunikationsgeräte und Industriemaschinen.
- CEM-3
Wie FR-4 besteht CEM-3 aus gewebten Glasfasern, die mit Epoxidharz getränkt sind. Dadurch besitzt es viele der gleichen wünschenswerten Eigenschaften wie FR-4: hervorragende elektrische Isolierung, mechanische Festigkeit und thermische Stabilität. CEM-3 zeichnet sich jedoch durch einen etwas günstigeren Preis aus. Für Schaltungsentwürfe Bei Leiterplatten, die nicht die höchste Leistung benötigen, greifen kostenbewusste Ingenieure oft zu CEM-3 statt zum teureren FR-4. Während das bewährte FR-4 für anspruchsvolle Anwendungen nach wie vor die beste Wahl ist, bietet CEM-3 eine attraktive Alternative für alltägliche Leiterplattenanforderungen. Die ausgewogenen Eigenschaften und der moderate Preis machen CEM-3 zu einem zuverlässigen Backend-Material für alle Arten von Elektronik.
- Polyimid
Polyimid ist ein vielseitiges Polymermaterial, das sich ideal für Leiterplatten in anspruchsvollen Umgebungen eignet. Dank seiner unübertroffenen thermischen Stabilität, mechanischen Flexibilität und chemischen Beständigkeit behält Polyimid seine Integrität und Funktionalität auch unter extrem anspruchsvollen Betriebsbedingungen. Während extreme Hitze und ätzende Stoffe die Robustheit vieler Materialien beeinträchtigen, behält Polyimid seine Eigenschaften und liefert weiterhin zuverlässige Leistung.
Diese außergewöhnliche thermische und chemische Widerstandsfähigkeit, gepaart mit struktureller Flexibilität, macht Polyimid gut geeignet für unternehmenskritische Elektronik in vielen Branchen, einschließlich der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und des Militärs.
- Teflon (PTFE)
Dieses Material bietet außergewöhnliche elektrische Eigenschaften, die Signalverluste selbst bei Radar- und Satellitenfrequenzen minimieren. Die Hauptvorteile von PTFE sind seine niedrige Dielektrizitätskonstante und Verlustfaktor, die Signalverschlechterung und -verzerrung begrenzen. Dank der hohen Glasübergangstemperatur verfügt es außerdem über eine hervorragende thermische Stabilität. Teflon-Leiterplatten behalten ihre Struktur und Leistungsfähigkeit auch bei extremer Hitzeeinwirkung. Darüber hinaus weist dieses Leiterplattenmaterial eine hervorragende chemische Beständigkeit auf und widersteht selbst aggressiven Chemikalien, die andere Kunststoffe beschädigen würden.
- PCB-Material mit Metallkern
Metallkerne haben, wie der Name schon sagt, einen Metallkern, typischerweise Aluminium, um eine bessere Wärmeableitung zu gewährleisten. Sie werden häufig eingesetzt, wenn Bauteile extrem heiß werden. Wir sprechen hier von Hochleistungs-LED-Leuchten, Spannungswandlern, Automobilelektronik – alles, was enorme Hitze erzeugt. Wenn Sie also das nächste Mal Elektronik bauen, bei der es unheimlich heiß wird, Metallkernplatten Wir haben alles für Sie! Der integrierte Metallkern erleichtert die Wärmeableitung von temperaturempfindlichen Komponenten, verhindert so Überhitzung und sorgt für eine konstante Leistung.
- Rogers-Material
Die Rogers Corporation ist ein führender Anbieter von Leiterplattenmaterialien und bietet Hochleistungsprodukte für anspruchsvolle Anwendungen. Die beliebten Serien RO4000 und RO3000 erfüllen die Anforderungen an hohe Frequenzen, hohe Temperaturen und hohe Zuverlässigkeit. Rogers-Materialien bieten die speziellen Eigenschaften, die für Produkte wie Radarsysteme, Bohrausrüstung und Luftfahrtelektronik erforderlich sind, bei denen Leistung entscheidend ist. Dank eigener Forschung, Entwicklung und Fertigung produziert Rogers erstklassige Leiterplattenmaterialien, auf die qualitätsbewusste Hersteller für unternehmenskritische Leiterplatten vertrauen. Wenn Schaltungen unter extremen Bedingungen einwandfrei funktionieren müssen, ist Rogers die richtige Wahl.
Nachfolgend finden Sie eine Tabelle, die diese PCB-Materialien in verschiedenen Aspekten vergleicht:
| Werkstoff | FR4 | CEM-3 | Teflon | Rogers | Metall | Polyimid |
| Dielektrizitätskonstante | ~ 4.4 | ~ 4.5 - 4.9 | ~ 2.1 | ~ 2.5 - 10.2 | Variable | ~ 3.4 - 3.5 |
| Thermische Stabilität | Gut | Konservativ | Ausgezeichnet | Ausgezeichnet | Variable | Gut |
| Frequenzbereich | Bis in den GHz-Bereich | Bis in den GHz-Bereich | Bis in den GHz-Bereich | Mikrowelle & RF | Durch die Haut begrenzt | GHz-Bereich |
| Verlustfaktor | Niedrig | Konservativ | Sehr niedrig | Niedrig | Niedrig | Niedrig |
| Kosten | Niedrig | Niedrig | Hoch | Hoch | Mittel bis hoch | Konservativ |
| Mechanischer Flex | Limitiert | Limitiert | Gut | Limitiert | Limitiert | Ausgezeichnet |
| In Bearbeitung | Standard | Standard | Spezialisiert | Spezialisiert | Limitiert | Standard |
Zu berücksichtigende Faktoren bei der Auswahl des PCB-Materials
Bei der Auswahl eines Materials für Leiterplattenfertigung:
Elektrische Leistung
- Dielektrizitätskonstante (Dk): Diese beeinflusst die Signalausbreitungsgeschwindigkeit und die Impedanzkontrolle. Höhere Dk-Werte können zu langsameren Signalgeschwindigkeiten führen.
- Verlustfaktor (Df): Beeinflusst Signalverluste und Energieeffizienz. Niedrigere Df-Werte sind für Hochfrequenzanwendungen wünschenswert.
Mechanische Festigkeit
- Zugfestigkeit: Bestimmt die Fähigkeit der Leiterplatte, mechanischer Belastung ohne Verformung oder Bruch standzuhalten.
- Biegefestigkeit: Relevant für flexible oder Starrflex-Leiterplatten, was auf ihre Biege- und Knickfestigkeit hinweist.
Thermische Eigenschaften
- Wärmeleitfähigkeit: Entscheidend für die Wärmeableitung stromintensiver Komponenten. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit trägt zu einer effizienteren Wärmeableitung bei.
- Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE): Eine Nichtübereinstimmung zwischen dem CTE von Leiterplatte und Komponente kann aufgrund von Temperaturwechseln zu Zuverlässigkeitsproblemen führen.
Entflammbarkeit und Flammbeständigkeit
- UL-Klassifizierung: UL 94-Klassifizierungen klassifizieren Materialien anhand ihrer Entflammbarkeit und selbstverlöschenden Eigenschaften. V-0 ist beispielsweise flammhemmender als V-2.
Kostenüberlegungen
- Die Materialkosten für Leiterplatten können erheblich variieren. Hochleistungsmaterialien wie PTFE (Teflon) sind tendenziell teurer als FR-4, ein gängiges Material auf Epoxidbasis.
Herstellbarkeit
- Kompatibilität mit Montageprozessen: Einige Materialien erfordern möglicherweise spezielle Geräte oder Verarbeitungsmethoden, die sich auf die Herstellungskosten auswirken können.
- Bohrbarkeit und Bearbeitbarkeit: Materialien sollten während des Herstellungsprozesses leicht zu bearbeiten sein.
Umwelterwägungen
- RoHS-Konformität: Überprüfen Sie, ob das ausgewählte Leiterplattenmaterial die geltenden Umweltstandards erfüllt, wie etwa die RoHS-Anforderungen, die bestimmte giftige Substanzen einschränken.
- Recycling und Entsorgung: Berücksichtigen Sie, wie einfach das Recycling und die Entsorgung des Materials nach dem Lebenszyklus der Leiterplatte ist.
Signalintegrität und Frequenz
- Hochfrequenzanwendungen: Verschiedene Materialien weisen bei höheren Frequenzen unterschiedliche Signalverlusteigenschaften auf. Wählen Sie ein Material mit niedrigem Verlustfaktor für eine verbesserte Signalintegrität.
Fazit
Die Wahl des richtigen Materials für Ihre Leiterplatte ist entscheidend. Es kann maßgeblich beeinflussen, wie gut Ihre Leiterplatte funktioniert, wie lange sie hält und wie hoch die Herstellungskosten sind. Berücksichtigen Sie beispielsweise: Leitet das Material Strom gut? Wie sieht es mit der Wärmeableitung aus? Hält es der Belastung dauerhaft stand? Hält es den Einflüssen von Chemikalien oder anderen Bedingungen stand? Je nach Anwendung müssen Sie möglicherweise auch Umweltfaktoren berücksichtigen. Durch das Verständnis der Stärken und Schwächen der einzelnen Leiterplattenmaterialien können Ingenieure das optimale Material für ihre spezifischen Projektziele auswählen. Wenn Sie Hilfe bei der Auswahl des Leiterplattenmaterials benötigen, wenden Sie sich an MOKO-Technologie.
