Polyimid-Leiterplatten und FR4 PCB sind zwei der am häufigsten verwendeten Leiterplattentypen. Obwohl beide Polymersubstrate gut für Leiterplatten geeignet sind, besitzen Polyimid und FR4 jeweils eigene Eigenschaften, die sie für bestimmte Anwendungen besser geeignet machen als andere. In diesem Blogbeitrag erläutern wir die wichtigsten Unterschiede und geben Einblicke in die Auswahl. Lesen Sie weiter.
Unterschiede zwischen Polyimid-Leiterplatten und FR4-Leiterplatten
- Kupfertypen
Die meisten FR4-Platinen verwenden galvanisch abgeschiedene Kupferfolien mit vertikaler Kornstruktur, die für starre Platten optimiert ist. Polyimide verwenden häufiger gewalztes, geglühtes Kupfer, das speziell dafür entwickelt wurde, wiederholter Biegung ohne Metallermüdung oder Rissbildung standzuhalten. Die Ausrichtung der Kupferkörnung entspricht zudem der Biegeachse für maximale Haltbarkeit.
- Aufbau
FR4 besteht aus Epoxidharz, Glasfasergewebe und Kupfer. Die Anzahl der Glasfaserschichten bestimmt die Gesamtdicke. Die Fasern werden mit Epoxidharz getränkt und anschließend mit den Kupferschichten unter Hitze und Druck ausgehärtet, um die starre Platte zu bilden. Polyimidplatten hingegen bestehen ausschließlich aus Polyimid-Kunststoffpolymer und Kupfer. Das Polyimid wird flüssig auf die Kupferfolien gegossen und anschließend vollständig zu einem festen, flexiblen Zustand ausgehärtet.
- Dickenbereiche
Die Glasfaserverstärkung begrenzt die Dicke von FR4. Gängige Dicken reichen von 2 bis 125 mil. Ohne Glasfaser können Polyimide als dünne Folien von 1/2 bis 3 mil Dicke hergestellt werden. Dies ermöglicht extrem dünne, flexible Konstruktionen, die sich ideal für dynamische Biegeanwendungen eignen.
- Flexibilität
Polyimidplatten sind hochflexibel und eignen sich daher für Anwendungen, die wiederholtes Biegen oder Formen erfordern, um bestimmten Platzverhältnissen gerecht zu werden. Ihre extreme Flexibilität ermöglicht komplexe Geometrien, die mit herkömmlichen starren FR4-Platten nicht realisierbar sind. Die Mobilität wird verbessert und der Einbau in Produkte mit Platzbeschränkungen wird im Vergleich zu FR4 einfacher.
- Feuchtigkeitsaufnahme
Epoxidbasiertes FR4 absorbiert nur sehr wenig Umgebungsfeuchtigkeit, etwa 0.2–0.5 % des Gesamtgewichts. Im Gegensatz dazu kann Polyimid bis zu 2 % Feuchtigkeit aufnehmen. Dies beeinträchtigt die Leistung von Polyimid-Schaltungen nicht, die aufgenommene Feuchtigkeit muss jedoch vor der Montage durch einen Backprozess entfernt werden, um Schäden durch schnelle Dampfausdehnung zu vermeiden. Delamination Probleme beim Löten.
- Hitzetoleranz
Polyimid hat eine deutlich höhere maximale Betriebstemperatur als FR4 und ist für den Dauereinsatz bis 300 °C ausgelegt. Es ist hitzebeständiger und hält somit auch heißen Umgebungen lange stand. Die Wärmeleitfähigkeit ist zudem doppelt so hoch wie bei herkömmlichen glasfaserverstärkten Platten.
Weiter lesen: Ein umfassender Leitfaden zur Wärmeleitfähigkeit von FR4
- Chemische Resistenz
Neben der Wärmebeständigkeit bieten Polyimidplatten eine höhere Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit als FR4. Ihre robuste Polymermatrix schützt deutlich länger vor Kraftstoffen, Ölen und Lösungsmitteln. Da Polyimid keine anfälligen Bestandteile wie Epoxidharz oder Glasfasern enthält, hält es auch konzentrierten chemischen Lösungen stand, ohne sich zu zersetzen.
- Haltbarkeit unter Stress
Die Vibrationsfestigkeit und Zugfestigkeit von Polyimidplatten ist deutlich höher. Die Flexibilität verhindert Brüche durch Stöße, die die Integrität von starren Epoxidglasplatten beeinträchtigen. Polyimid behält seine mechanische und elektrische Zuverlässigkeit über Tausende von Biegezyklen sowie Dauervibrationen hinweg besser bei.
In der folgenden Tabelle sind einige spezifische Daten aufgeführt, um die Unterschiede zwischen FR4-Leiterplatten und Polyimid-Leiterplatten deutlicher vergleichen zu können:
| Leiterplattentypen Immobilien | FR4 PCB | Polyimid PCB |
| Wärmeleitfähigkeit | 0.25 W / mK | 0.2 W / mK |
| Dielektrizitätskonstante (bei 1 GHz) | 4.25 - 4.55 | ~3.4 bis 3.8 |
| Verlustfaktor (bei 1 GHz) | 0.016 | 0.003 |
| Lichtbogenwiderstand | 125 Sek. | 143 Sek. |
| Spezifisches Gewicht | 1.8 - 1.9 | 1.3 bis 1.4 |
| Wasseraufnahme | 0.2-0.5 % | 1-2 % |
| Zugfestigkeit | 70-90 MPa | 200-300 MPa |
| Glasübergangstemperatur (Tg) | 130-140°C | > 250 ° C |
Polyimid-Leiterplatte und FR4-Leiterplatte: Wie soll man wählen?
Die Entscheidung zwischen der Verwendung einer FR4-Leiterplatte und einer Polyimid-Leiterplatte hängt in erster Linie von der Anwendung und ihren spezifischen Anforderungen ab:
FR4-Platinen sind die bessere Wahl für:
- Kostensensitive Anwendungen, bei denen keine hohe Haltbarkeit erforderlich ist. FR4 ist die günstigere Option.
- Niederfrequente digitale Schaltkreise, die nicht viel Wärme erzeugen. FR4 verträgt moderate Temperaturen bis etwa 100 °C.
- Starre Platten für Produkte, bei denen Flexibilität nicht erforderlich ist. Die Glasfaserverstärkung macht FR4-Platten formstabil, aber nicht biegefest.
Polyimidplatten sind vorzuziehen für:
- Flexible/starrflexible Schaltungen, die sich während des Gebrauchs dynamisch biegen müssen. Polyimid-Leiterplatten zeichnen sich durch eine hervorragende Biegefestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit aus.
Erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen flexiblen und starrflexiblen Leiterplatten. Lesen Sie „Starrflex-Leiterplatte vs. flexible Leiterplatte"
- Hochfrequenz-Analogschaltungen. Polyimid hat eine niedrigere Dielektrizitätskonstante und einen geringeren Verlust für eine bessere Signalintegrität.
- Elektronik in extremen Umgebungen, die Temperaturen über 150 °C ausgesetzt ist. Polyimid übersteht über 250 °C.
- Produkte mit Zuverlässigkeitstests wie Vibration, Schock, Feuchtigkeit oder Staubeintritt. Polyimid-Platinen sind robuster.
- Missionskritische Elektronik erfordert höchste Haltbarkeit bei minimalem Ausfallrisiko. Die Luft- und Raumfahrt sowie das Militär bevorzugen Polyimide.
Wählen Sie im Wesentlichen das kostengünstige FR4 für grundlegende Verbindungsanwendungen ohne besondere Anforderungen, während Polyimide extreme Anforderungen erfüllen, die maximale physikalische Belastbarkeit und Umweltbeständigkeit erfordern.
Zusammenfassung
Die Bewertung der Unterschiede zwischen diesen beiden Materialien hinsichtlich Faktoren wie Hitzebeständigkeit, Haltbarkeit und mechanischer Festigkeit ist entscheidend für die optimale Auswahl eines Elektronikprojekts basierend auf seinen spezifischen Anforderungen und Betriebsbedingungen. Eine sorgfältige Analyse der Anwendungsspezifikationen sowie der jeweiligen Eigenschaftsprofile von Polyimid und FR4 ermöglicht eine fundierte Materialauswahl, die den individuellen Zielen und Einschränkungen gerecht wird. Mit dem Verständnis der damit verbundenen Kompromisse können Ingenieure die PCB-Substrat das ihren Anforderungen am besten entspricht und auf dem Zielgerät oder -system die gewünschte Leistung erbringt.
