Materialinformationen für Polyimid-Leiterplatten (FR4 vs. Polyamid-Leiterplatte)

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• Was ist Polyimid/Polyamid-PCB-Material?
• Wann sollte es verwendet werden?
• Was ist FR4-PCB-Material?
• Was sind die Anwendungen von FR4?
• Warum Polyimid/Polyamid gegenüber FR4 wählen?
• Wo erhalte ich Polyimid-/Polyamid-Leiterplatten?

Viele Unternehmen, die Leiterplatten verwenden, begnügen sich damit, das Standard-FR4-Material für ihre Platinen zu verwenden. FR4-Boards sind erschwinglich und für viele Anwendungen effektiv. FR4-Platinen sind jedoch nicht die einzige verfügbare Art von Leiterplattenmaterial. Einige andere Platinentypen können für bestimmte Anwendungen besser geeignet sein.

Eine Art von Plattenmaterial, das Sie in Betracht ziehen könnten, ist Polyimid. Möglicherweise gibt es einige Materialeigenschaften von Polyimid-Leiterplatten, die gut zu den Leiterplattenanwendungen Ihrer Branche passen. Wenn Sie gerade erst anfangen, Leiterplatten zu verwenden, ist es hilfreich zu wissen, welches Material am besten geeignet ist, bevor Sie mit der Bestellung beginnen.

Wenn Sie sich nicht sicher sind, ob Polyimid-/Polyamid-Leiterplatten für Sie geeignet sind, lesen Sie weiter, um mehr über die Eigenschaften dieser Leiterplatten und ihre Auswirkungen auf Ihre Anwendungen zu erfahren.

Was ist Polyimid/Polyamid-PCB-Material?

Polyimide, auch Polyamide genannt, sind Polymere, die aus Imidmonomeren bestehen. Diese vielfältige Gruppe von Polymeren umfasst verschiedene Materialien, sowohl natürliche als auch synthetische. Zu natürlichen Polyamiden gehören beispielsweise Seide und Wolle. Bei der Herstellung von Leiterplatten hingegen werden die Polyamide für Platinenträger synthetisch in Massenproduktion hergestellt.

Synthetische Polyimide werden durch Polymerisieren verschiedener Chemikalien hergestellt, die Imidstrukturen enthalten. Am häufigsten verwendet das Verfahren Bismaleimide und Maleinsäureanhydrid. Die verschiedenen Chemikalien und Zusatzstoffe, die im Prozess verwendet werden, können unterschiedliche Ergebnisse erzielen und verschiedene Arten von Polyimiden schaffen, die verschiedene Vorteile bieten. Einige Beispiele sind unten aufgeführt:

• Reine Polyimide: Reine Polyimide, auch bekannt als Polyimide der 2. Generation, werden ohne bromierte Flammschutzmittel und andere Zusatzstoffe hergestellt. Dadurch sind sie thermisch stabiler und temperaturbeständiger als viele heutige Alternativen.
• Polyimide der 3. Generation: Diese Polyimide enthalten Additive, die die Entflammbarkeitsbeständigkeit verbessern, was dazu beitragen kann, elektrische Brände zu verhindern. Während diese Arten von Polyimiden tendenziell weniger thermisch stabil sind, bieten sie aufgrund der niedrigeren Temperaturen und Zeiten, die zum Aushärten benötigt werden, verbesserte Produktionszeiten.
• Gefüllte Polyimide: Gefüllte Polyimidsysteme bestehen aus Polyimid und einem Füllstoff. Das Polyimid erzeugt die erforderliche Wärmebeständigkeit und Flexibilität, aber der Füllstoff trägt dazu bei, das Schrumpfen des Harzes zu reduzieren, wodurch die Bildung von Rissen während des Aushärtungs- und Bohrvorgangs minimiert wird.
• Low-Flow-Polyimide: Diese Polyimide bestehen aus verschiedenen Harzen und Fließbegrenzern, die die Flexibilität des Materials reduzieren.

Mit der Zeit wird erwartet, dass mehr Polyimidvariationen populär werden. Beispielsweise werden derzeit Polyimide der 4. Generation entwickelt, die die Haftung von Kupferfolien und die Feuchtigkeitsempfindlichkeit sowie die Gesamtstabilität verbessern würden.

Wann sollte es verwendet werden?

Polyimid-Produkte sind branchenweit sehr gefragt, vor allem aufgrund der Flexibilität und Festigkeit des Materials. Dies ist jedoch nicht der einzige Grund, warum Polyamide bevorzugt werden.

Bei der Auswahl eines PCB-Basismaterials ist es wichtig, das Material auszuwählen, das für die Anwendung am besten geeignet ist. Polyamid ist möglicherweise die beste Wahl, wenn Ihre Anwendung die folgenden PCB-Eigenschaften erfordert:

• Hervorragende Flexibilität: Polyimidmaterial wird am häufigsten zur Herstellung flexibler und starrflexibler Leiterplatten verwendet, da das Material außergewöhnlich flexibel ist.
• Ausgezeichnete Zugfestigkeit: Trotz seiner Flexibilität sind Polyimidmaterialien sehr stark und verzugsfest. Dies macht es zu einer ausgezeichneten Wahl für alle Anwendungen, die eine gewisse physische Haltbarkeit erfordern.
• Sehr thermisch stabil: Polyimide sind in einem weiten Temperaturbereich extrem stabil. Sie können den Betrieb bei normalerweise unwirtlichen Temperaturen bis zu 260 Grad Celsius unterstützen. Darüber hinaus haben sie eine gute Wärmeleitfähigkeit und können auch thermischen Schäden während der Herstellungs- und Reparaturprozesse widerstehen.
• Beständig gegen Chemikalien: Polyimide sind chemisch stabil, was bedeutet, dass sie ohne negative Auswirkungen einer Vielzahl von korrosiven Chemikalien ausgesetzt werden können. Dies ist entscheidend bei Anwendungen, die solchen Chemikalien ausgesetzt sind.
• Sehr langlebig: Polyimid-Leiterplatten sind nicht nur hitze- und chemikalienbeständig, sondern auch sehr widerstandsfähig gegen physikalische Beanspruchung. Sie behalten ihre Form unabhängig von den physikalischen und thermischen Bedingungen, denen sie ausgesetzt sind, und sind daher ideal für Anwendungen in rauen Umgebungen und Reparaturen vor Ort.

Zusätzlich zu diesen Eigenschaften haben Polyimide die elektrischen Eigenschaften, die für ein hervorragendes PCB-Basismaterial erforderlich sind.

Was sind die Anwendungen von Polyamid-PCB-Material?

Sowohl natürliche als auch synthetische Polyamide werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Diese Materialien finden sich in Fahrzeugen, Kleidung und Konsumgütern. Am bemerkenswertesten ist jedoch ihre Verwendung in Leiterplatten. Insbesondere werden Polyamidplatten zur Herstellung flexibler und starrflexibler Leiterplatten verwendet, die in den letzten Jahren an Popularität gewonnen haben und voraussichtlich zwischen 2017 und 2027 ihren Marktanteil ausbauen werden.

Polyamid-Flex- und Starrflex-Leiterplatten haben in der Leiterplattenindustrie ein breites Anwendungsspektrum gefunden. Einige Beispiele sind:

• Computerelektronik: Computerumgebungen, insbesondere Laptops, erfordern ein gewisses Maß an Flexibilität und Haltbarkeit, um den physischen Belastungen des täglichen Gebrauchs standzuhalten. Außerdem können die Umgebungen, in denen Computer-PCBs betrieben werden, außergewöhnlich heiß werden. Flexible und starrflexible Polyamid-Leiterplatten sind in diesen Umgebungen ideal, vor allem aufgrund ihrer Flexibilität, Haltbarkeit und thermischen Stabilität.
• Automobilelektronik: Moderne Automobile verlassen sich stark auf Elektronik und verwenden üblicherweise flexible Leiterplatten, um die Vibrationen und Hitze zu bewältigen, die häufig in einem Fahrzeug auftreten.
• Unterhaltungselektronik: Unterhaltungselektronik, einschließlich Smartphones und Tablets, wird aufgrund der Belastungen des täglichen Gebrauchs häufig mit flexiblen oder starrflexiblen Leiterplatten hergestellt. Flexible Leiterplatten werden für potenzielle zukünftige Unterhaltungselektronik wie flexible Tablets und Smartphones weiterentwickelt.
• Elektronik für die medizinische Industrie: Viele medizinische Anwendungen erfordern eine gewisse Flexibilität in der verwendeten Elektronik, insbesondere bei Implantaten, Prothetik und Bildgebungstechnik, die tendenziell mehr Bewegung erfordern.
• Militär- und Luft- und Raumfahrtelektronik: Luft- und Raumfahrt- und militärische Anwendungen bevorzugen aufgrund ihrer Zuverlässigkeit, thermischen Stabilität und Flexibilität tendenziell Polyamid-Materialien für Leiterplatten. Dies liegt sowohl an den physikalischen Belastungen in diesen Branchen als auch an der häufigen Notwendigkeit von Reparaturen vor Ort, für die andere Materialien weniger geeignet sind.

Kurz gesagt, Polyamid ist für eine Vielzahl von Anwendungen vor allem aufgrund seiner Flexibilität, Festigkeit, Haltbarkeit und thermischen Eigenschaften sehr wünschenswert.

Was ist FR4-PCB-Material?

FR4 ist eines der am häufigsten verwendeten Substrate für Leiterplatten. FR4 bezieht sich jedoch nicht wirklich auf eine Materialart – stattdessen bezieht es sich auf eine Materialqualität. Das FR in FR4 steht für „Flame Resistance“ und stammt aus einem Klassifizierungssystem, das von der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) entwickelt wurde. Diese Klasse gibt an, dass das Material dem UL94V-0-Standard entspricht.

Obwohl der Begriff FR4 ein Material nicht wirklich beschreibt, sind Materialien der Klasse FR4 typischerweise laminierte Glasfasern. Diese Materialien werden hergestellt, indem Rohglasmaterialien geschmolzen und zu Filamenten aus Fasergarn extrudiert werden. Das Fasergarn wird dann zusammengewebt und mit Harz und einem Haftvermittler beschichtet, um die Haftung zu verbessern. Sobald alle Materialien aneinander haften, wird die Platine mit Kupferfolie laminiert, bevor sie in den PCB-Herstellungsprozess geht.

FR4-Materialien können je nach ihren spezifischen Eigenschaften in Unterklassen eingeteilt werden. Nachfolgend werden einige Beispiele näher beschrieben:

• Standard: Standard-FR4-Platten werden aus einer bestimmten Glasfaserart hergestellt, die einen höheren Bromgehalt hat, was die flammhemmenden Eigenschaften des Materials verbessert.
• Hoher Glasübergang: Der Glasübergang oder Tg ist die Temperatur, bei der eine Glasfaser instabil wird. Während Standard-FR4-Platten einen relativ niedrigen Tg-Wert haben, sind Platten mit hoher Tg erhältlich, die wesentlich höhere Tg-Werte und eine verbesserte Wärmebeständigkeit bieten.
• Halogenfrei: Halogenfreie FR4-Platten werden ohne Brom hergestellt, das ein Halogen ist, das für Menschen giftig sein kann. Obwohl Brom die flammbeständigen Eigenschaften von FR4-Platten begünstigt, sind halogenfreie Platten oft für Anwendungen erforderlich, die menschliche Interaktion beinhalten.

Da es sich bei FR4 eher um eine Sorte als um ein bestimmtes Material handelt, können die Werte einer bestimmten FR4-Platte je nach Hersteller variieren. Während sie normalerweise in einen erwarteten Bereich fallen, werden sich Wärmeleitfähigkeit, Biegefestigkeit, Wasseraufnahme und Härte wahrscheinlich von Platte zu Platte unterscheiden.

Wann sollte es verwendet werden?

FR4 gilt als das Standard-Leiterplattenmaterial für die überwiegende Mehrheit der Anwendungen. Es ist jedoch wichtig, alle Faktoren Ihrer Anwendung zu berücksichtigen, bevor Sie sich für ein Material gegenüber einem anderen entscheiden. Im Folgenden sind einige der wichtigsten Qualitäten von FR4 aufgeführt, die Sie berücksichtigen sollten, bevor Sie es als Material auswählen:

• Stärke-Gewichts-Verhältnis: Leiterplatten, die eine gute mechanische Festigkeit erfordern, verwenden häufig FR4 wegen seines Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses. Aufgrund der mehreren Schichten und Materialien, die bei der Herstellung des FR4-Materials verwendet werden, bietet es eine hervorragende Festigkeit.
• Vielseitigkeit: FR4 kann als Substrat für eine Vielzahl von Leiterplattentypen verwendet werden, einschließlich einseitiger, doppelseitiger und mehrschichtiger Leiterplatten.
• Chemikalienbeständig: FR4 ist beständig gegen eine Vielzahl von Chemikalien und beständig gegen die meisten Arten von Korrosion. Außerdem absorbiert dieses Material nicht so viel Wasser wie andere Materialien, einschließlich Polyamide.
• Dimensionsstabilität: FR4-Platten behalten ihre Form sehr gut bei, was sie zu einer großartigen Wahl für alle Anwendungen mit empfindlicheren Teilen macht.
• Großer elektrischer Isolator: FR4 ist ein bekannter elektrischer Isolator und hat ausgezeichnete elektrische Eigenschaften, die es zu einer guten Wahl für viele PCB-Anwendungen machen.

Zusätzlich zu den oben genannten Faktoren sind FR4-Platten sehr günstig in der Herstellung, was insgesamt zu niedrigeren Produktionskosten führt. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass Standard-FR4-Boards nur eine begrenzte Wärmeleitfähigkeit bieten – FR4-Boards können Probleme bei der Wärmeableitung haben und bei höheren Temperaturen instabil werden.

Was sind die Anwendungen von FR4?

Aufgrund seines Status als Standardmaterial für Ingenieure wird FR4 weltweit für eine Reihe unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt. Einige dieser Anwendungen umfassen Folgendes:

• DC-Board-Anwendungen: Die überwiegende Mehrheit der DC-Platinen wird aufgrund seiner geringen Kosten, hervorragenden Leistung und Zugänglichkeit mit FR4 vervollständigt.
• Niederfrequenzanwendungen: FR4-Boards werden aufgrund ihrer geringen Kosten und Vergleichbarkeit mit anderen Materialien häufig in Niederfrequenzanwendungen verwendet. Während FR4 nicht ideal für Hochfrequenzanwendungen über 2 GHz ist, ist es eine gute Wahl für Niederfrequenzanwendungen, die Funktionalität ohne übermäßige Kosten erfordern.
• Digitale Anwendungen: FR4 ist eine sehr gute Option für viele digitale Anwendungen.

Diese Anwendungen sind in einer Vielzahl von Branchen zu finden, von der Handels- und Unterhaltungselektronikindustrie bis hin zu Militär- und Luft- und Raumfahrtdesigns. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass FR4 nicht für Hochfrequenzdesigns empfohlen wird, die immer häufiger verwendet werden.

Warum Polyimid/Polyamid gegenüber FR4 wählen?

Wenn Sie sich zwischen der Verwendung von Polyimid und FR4 entscheiden, könnten Sie versucht sein, FR4 allein aufgrund der Kosten und Zugänglichkeit dieses gängigen Platinenmaterials zu wählen. Es ist jedoch eine schlechte Wahl, eine Entscheidung auf der Grundlage der Kosten zu treffen, insbesondere wenn die beiden Materialien sehr unterschiedliche funktionelle Vorteile bieten.

Wenn Sie Polyamid und FR4 in Betracht ziehen, bedenken Sie die folgenden Vorteile von Polyamid:

• Flexibilität: Flexibilität ist der Hauptgrund, warum Sie eine Polyimid/Polyamid-Platine einer FR4-Platine vorziehen würden. Flexible und starrflexible Leiterplatten werden typischerweise aus Polyimid hergestellt und werden im Allgemeinen in Anwendungen bevorzugt, bei denen Mobilität und Nutzungshäufigkeit im Vordergrund stehen.
• Gute Hitzebeständigkeit: Wenn Sie vorhaben, Ihre Leiterplatte in einer Umgebung mit hoher Hitze zu verwenden, ist eine FR4-Platine wahrscheinlich nicht die beste Wahl. FR4 ist zwar rahmenfest, hat jedoch Probleme bei der Wärmeableitung, was zu heißen Stellen führt, die die Platine und die umgebende Ausrüstung beschädigen können. Polyimid hingegen hat hervorragende Betriebstemperaturwerte und eine Wärmeleitfähigkeit, die doppelt so hoch ist wie der Wert von FR4.
• Beständig gegen Chemikalien: Polyamide bieten eine hervorragende chemische Beständigkeit, insbesondere gegenüber Kohlenwasserstoffen wie Kraftstoffen, Ölen und Fetten, die häufig in Militär-, Luft- und Raumfahrt- und Automobilanwendungen zu finden sind. Während FR4 eine ähnliche Beständigkeit bietet, bieten Polyamide eine vollständigere Korrosionsbeständigkeit über lange Zeiträume.
• Langlebig: Obwohl FR4 stark ist, kann seine Steifigkeit ein Problem für Anwendungen darstellen, bei denen Vibrationen und Hitze ein Problem darstellen. Hitze und physische Beanspruchung verringern die strukturelle Integrität von FR4-Platten, während Polyamidplatten für solche Situationen gerüstet sind, insbesondere aufgrund ihrer Flexibilität und Zugfestigkeit.
• Löst Integrationsprobleme: Wenn eine Leiterplatte in ein Produkt integriert werden muss, das Komponenten nicht einfach aufnehmen kann, funktioniert eine starre Leiterplatte wie eine FR4-Platine nicht. Stattdessen kann eine flexible Polyimid-Leiterplatte so hergestellt werden, dass sie in den vorgesehenen Raum passt.

Obwohl sie teurer sind, bieten Polyimid-Leiterplatten beeindruckende Flexibilität und funktionale Vorteile gegenüber herkömmlichen FR4-Leiterplatten. Leichte, flexible und haltbare Polyimid-Leiterplatten haben das Potenzial, viele PCB-Integrations- und Designprobleme zu lösen, wodurch sie auf lange Sicht kostengünstig werden.

Wo erhalte ich Polyimid-/Polyamid-PCBs?

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