Das richtige PCB-Material wählen: Ein umfassender Leitfaden

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• Thermische Eigenschaften
• Elektrische Eigenschaften
• Leistungs- und Wärmeeinfluss auf PCB-Materialauswahl
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Bei allen PCB-Materialtypen ist der Zweck, Elektrizität zu leiten und Isolation zwischen den leitenden Kupferschichten zu bieten. FR-4 ist das am weitesten verbreitete Material in dieser Kategorie. Die Bedürfnisse Ihrer Platine hängen jedoch unweigerlich von verschiedenen PCB-Materialeigenschaften ab. Lesen Sie den folgenden PCB-Materialauswahl-Leitfaden, um zu erfahren, worauf Sie bei thermischen, elektrischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften verschiedener PCB-Materialtypen achten müssen.

PCB-Materialoptionen, Klassifizierungen und Substrat-Eigenschaftsüberlegungen

Thermische Eigenschaften

• Glasübergangstemperatur (Tg): Ein PCB-Substrat erweicht, wenn es Temperaturen über einem bestimmten Schwellenwert ausgesetzt wird. Das Substrat härtet zurück in seinen natürlichen Zustand, sobald es der Hitze entzogen wird. Der Bereich, in dem diese Transformation auf ein Substrat angewendet werden kann, wird als Glasübergangstemperatur (Tg) bezeichnet – eine in Grad Celsius angegebene Einheit.
• Zersetzungstemperatur (Td): Wird ein PCB-Substrat Temperaturen über einem bestimmten Schwellenwert ausgesetzt, zersetzt es sich. Dabei verliert die PCB fünf Prozent oder mehr ihrer Gesamtmasse. Der Temperaturbereich, in dem dieser Prozess eintritt, ist die Zersetzungstemperatur (Td), ebenfalls in Grad Celsius. Während die Auswirkungen einer Tg-Transformation sich umkehren, sobald das Material aus seinem Glasübergangsbereich entfernt wird, sind die Auswirkungen der Zersetzungstemperatur auf ein Substrat dauerhaft. Daher ist es am besten, ein PCB-Material zu verwenden, das den Temperaturbereich Ihrer Arbeitsumgebung bewältigen kann. Die zum Löten eines PCB-Substrats erforderliche Temperatur liegt generell zwischen 200 °C und 250 °C. Idealerweise sollte Tg darunter und Td darüber liegen.
• Thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE): Die Ausdehnungsrate einer PCB ist ihr CTE. Wenn ein Substrat Temperaturen ausgesetzt wird, die seine Tg überschreiten, erfährt das Material auch einen Anstieg des CTE, gemessen in Parts per Million (ppm). Ein Substrat hat generell einen höheren CTE als eine Kupferschicht. Dieser Unterschied ist manchmal die Quelle von Verbindungsproblemen bei Hitzeeinwirkung. Aufgrund der Beschränkungen von Gewebeglas um das PCB-Material liegt CTE typischerweise im Bereich von 10 bis 20 ppm über die X- und Y-Achsen. Selbst wenn die Temperatur den Tg-Schwellenwert überschreitet, bleibt der CTE gleich. Der CTE sollte über die Z-Achse (Dicke) auf ein Minimum gehalten werden, da dies die Ausdehnungsrichtung des Materials ist. Zur Sicherheit wird ein CTE von 70 ppm oder darunter empfohlen.

• Thermische Leitfähigkeit (k): Die wärmeleitenden Eigenschaften einer PCB werden als thermische Leitfähigkeit (k) bezeichnet. Die thermische Leitfähigkeit eines Materials korreliert direkt mit der Fähigkeit der PCB, Wärme zu übertragen. Ist der k-Wert niedrig, ist auch die Wärmeübertragung niedrig, und umgekehrt. Thermische Leitfähigkeit wird in Watt pro Meter (W/m) bei Kelvin (K) gemessen. Der thermische Leitfähigkeitsbereich für viele Dielektrika liegt zwischen 0,3 und 6 W/m·K. Zum Vergleich: Kupfer hat einen k-Wert von 386 W/m·°C. Daher leitet die Kupferschicht Wärme schneller als das Dielektrikum in einer PCB.

Elektrische Eigenschaften

• Dielektrizitätskonstante / Relative Permittivität (Er oder Dk): Zwei der wichtigsten Faktoren, die die elektrische Leistung einer Dielektrizitätskonstante bestimmen, sind Impedanz und Signalintegrität. Die Dielektrizitätskonstante (Er) oder relative Permittivität (Dk) eines PCB-Materials liegt generell zwischen 3,5 und 5,5. Das Er-Niveau eines Materials hängt von der Frequenz ab und fällt meist, wenn die Frequenz steigt. Der Dk-Wert ändert sich bei bestimmten PCB-Materialien weniger als bei anderen. Damit ein Material für Hochfrequenzanwendungen sicher ist, muss es eine stabile Dielektrizitätskonstante über einen breiten Frequenzbereich aufrechterhalten.

• Dielektrischer Verlustfaktor / Dissipationsfaktor (Tan δ oder Df): Ein Material verliert weniger Leistung, wenn sein Verlustfaktor niedrig ist. Der dielektrische Verlustfaktor (Tan δ) von Materialien in Leiterplatten liegt generell zwischen 0,02 und 0,001. Der erstere Wert gilt für die weit verbreiteten Materialien. Der letztere Wert gilt eher für High-End-Materialien. Tan δ steigt ebenfalls mit der Frequenz. Bei digitaler Schaltungstechnik ist der Verlustfaktor generell ein Faktor von geringerer Bedeutung. Ausnahmen wären Anwendungen, bei denen die Frequenz 1 GHz übersteigt. Der Verlustfaktor ist für analoge Signale bedeutender.
• Volumenwiderstand (ρ): Der Widerstand eines Dielektrikums gegen Isolierung oder Elektrizität ist sein Volumenwiderstand (ρ). PCB-Material mit hohem Widerstandswert erleichtert elektrische Ladungen weniger. Ohm-Meter (Ω·m) – sowie Ohm-Zentimeter (Ω·cm) – messen den Widerstand eines gegebenen Dielektrikums. Wie alle dielektrischen Isolatoren muss das Material auf einer Leiterplatte hohen Widerstand haben, vorzugsweise im Bereich von 10³ bis 10¹⁰ Megaohm-Zentimeter. Externe Faktoren wie Hitze, Kälte und Feuchtigkeit können den Widerstand eines Materials beeinflussen.
• Oberflächenwiderstand (ρS): Der Oberflächenwiderstand eines Dielektrikums gegen Isolierung und Elektrizität wird als Oberflächenwiderstand (ρS) bezeichnet. Wie beim ρ-Wert muss auch ρS hoch sein, vorzugsweise im Bereich von 10³ bis 10⁹ Megaohm pro Quadrat. Wie bei ρ kann der ρS-Wert eines Materials durch Temperaturextreme und Feuchtigkeit beeinflusst werden.
• Elektrische Festigkeit (Electrical Strength): Entlang der Z-Richtung einer Leiterplatte ist die Fähigkeit eines Dielektrikums, einem elektrischen Durchschlag zu widerstehen, die elektrische Festigkeit, gemessen in Volt/mil. Die meisten PCB-Materialien haben eine elektrische Festigkeit zwischen 800 V/mil und 1500 V/mil.

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Leistungs- und Wärmeeinfluss auf PCB-Materialauswahl

Chemische Eigenschaften

• Entflammbarkeitsspezifikationen (UL94): Die flammhemmenden Eigenschaften von Kunststoffen – auch als Kunststoff-Entflammbarkeit bekannt – sind im Standard für Sicherheit der Entflammbarkeit von Kunststoffmaterialien für Teile in Geräten und Apparaten (UL94) von höchstem zu niedrigstem Rang geordnet. Die Anforderungen für PCB-Materialien in UL94 besagen, dass Proben nicht länger als 10 Sekunden mit flammender Verbrennung brennen dürfen. Für einen Satz von fünf Proben dürfen die kombinierten Proben nicht länger als 50 Sekunden mit flammender Verbrennung brennen.
• Feuchtigkeitsaufnahme (Moisture Absorption): Wenn in Flüssigkeit getaucht, ist die Fähigkeit eines Dielektrikums, dieser Exposition standzuhalten, die Feuchtigkeitsaufnahme. Die meisten PCB-Materialien haben einen Feuchtigkeitsaufnahmewert zwischen 0,01 % und 0,20 %. Die elektrischen und thermischen Eigenschaften eines Dielektrikums werden beide durch die Feuchtigkeitsaufnahme des Materials beeinflusst.
• Methylenchlorid-Beständigkeit (Methylene Chloride Resistance): Die chemische Beständigkeit eines PCB-Materials wird als Methylenchlorid-Beständigkeit (MCR) bezeichnet, die am direktesten die Beständigkeit eines Dielektrikums gegen Methylenchlorid-Absorption misst. Dielektrika haben oft einen MCR zwischen 0,01 % und 0,20 %.

Flex- und Rigid-Flex-Platinen

Mechanische Eigenschaften

• Schälfestigkeit (Peel Strength): Die Verbindungsfähigkeit zwischen Dielektrikum und Kupferschichten in einer Leiterplatte ist die Schälfestigkeit. Während der PCB-Fertigung wird Schälfestigkeit an 1 oz (35 µm) dicken Kupferbahnen unter drei Bedingungen getestet: nach thermischem Stress, bei hohen Temperaturen und nach chemischer Exposition.
• Biegefestigkeit (Flexural Strength): Die Fähigkeit eines Dielektrikums, physikalischer Belastung ohne Bruch standzuhalten, ist die Biegefestigkeit, gemessen in kg/m² oder psi (Pfund pro Quadratzoll). Zum Testen der Biegefestigkeit einer PCB wird Kraft in die Mitte ausgeübt, während nur die Enden gestützt werden. Dielektrikumsfestigkeit wird auch über den Zugmodul (Tensile Modulus) gemessen, der das Spannungs-Dehnungs-Verhältnis eines PCB-Materials bestimmt und wie gut es in jede Richtung hält. Zugmodul wird oft als Youngscher Modul bezeichnet, der von manchen Herstellern anstelle der Biegefestigkeit als Maß für die Fähigkeit einer PCB, Stress standzuhalten, verwendet wird.
• Dichte (Density): Die Dichte eines Dielektrikums wird in Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) gemessen. Alternativ kann PCB-Dichte auch in Pfund pro Kubikzoll (lb/in³) gemessen werden.
• Zeit bis Delamination (Time to Delamination): Die Dauer der Widerstandsfähigkeit eines Dielektrikums gegen delaminationsverursachende Effekte wird als „Time to Delamination“ bezeichnet. Sie bestimmt, wie lange es dauert, bis sich die Lagen einer PCB voneinander lösen, wenn sie Temperaturen über einem bestimmten Schwellenwert ausgesetzt sind. Ein PCB-Material – sei es Laminat oder Glasfaser – kann auch delaminieren, wenn es thermischem Schock oder Feuchtigkeit ausgesetzt wird.

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Material für HDI-Überlegungen

Faktoren wie minderwertige Kupferfolie und Dielektrika können die Mechanismen einer PCB beeinflussen. Mit der richtigen Auswahl dielektrischer Materialien können Sie verhindern, dass Ihre Leiterplatte fehlerhafte Signale sendet.

Die molekulare Natur von Dielektrika kann Ihr System anfällig für Verluste machen. Jedes Mal, wenn ein Signal erzeugt wird, vibrieren die magnetischen Felder innerhalb der Moleküle. Die Auswirkungen hängen von der Höhe der Signalfrequenz ab. Wenn Vibrationen auftreten, wird Energie zu Wärme und geht im System verloren.

Kupferleiter können auch Verlustursachen in einem System sein. Wenn Elektronen vom Zentrum eines Leiters abweichen, steigt die Frequenz. Beispielsweise wird ein nickelbeschichteter Kupferleiter Verluste sehen, da signifikante Strommengen durch das Nickel statt durch das Kupfer fließen. Ein reiner Kupferleiter kann ebenfalls Verluste haben, wenn Mikrorillen vorhanden sind, die den Strom auf und ab bewegen und Widerstand erzeugen.

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Welche Funktionen können Sie wählen?

Um Verluste in Ihrem System zu vermeiden, prüfen Sie Ihre Optionen in beiden folgenden Kategorien, um sicherzustellen, dass Sie Materialien auswählen, die für hohe Frequenzen am besten geeignet sind:

• Substrat: Verschiedene Materialien sind im Substrat einer Leiterplatte enthalten, wie Epoxidharz und Glasfasern. Ein Substrat muss eine niedrige Dielektrizitätskonstante haben, um Hochfrequenzschaltungen zu erzeugen.
• Folie: Es gibt verschiedene Folientypen, die auf Kupfer aufgebracht werden können. Wählen Sie ein Kupfer, das Widerstand am zuverlässigsten minimiert.

Minderwertige und nicht passende Substrate und Folien können zu kostspieligen Verlusten führen, aber die richtigen Wahlmöglichkeiten helfen Ihnen, langanhaltende PCB-Leistung zu erzielen.

Best Practices und weitere Überlegungen

Um das beste Substrat und die beste Folie für Hochfrequenzanwendungen auszuwählen, müssen Sie bestimmte Praktiken beachten:

• Dielektrizitätskonstanten angleichen (Match the Dielectric Constants): Auf einer Leiterplatte müssen die Dk-Werte der verschiedenen Dielektrizitätskonstanten aufeinander abgestimmt sein. Widersprechen sich die Dk-Werte, treten wahrscheinlich Probleme auf. Ein Beispiel für nicht abgestimmte Dk-Werte könnte ein Harz sein, das mit einer Gewebelage gepaart ist.
• Thermischen Ausdehnungskoeffizienten angleichen (Match CTE): Von den Substrateigenschaften, die Temperatur betreffen, ist CTE der wichtigste. Wie bei Dk muss der CTE zwischen zwei Substraten übereinstimmen. Andernfalls könnten sich die beiden Substrate mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Konsistenzen ausdehnen. Während der Fertigung können unterschiedliche CTEs zu Fehlern führen. Im Betrieb könnten kollidierende CTEs die Dk-Werte beeinflussen.
• Enges Substratgewebe (Tight Substrate Weave): Das Substrat muss fest gewebt sein, damit Material und Masche korrekt interagieren. Wenn nicht, werden die Dk-Werte negativ beeinflusst.
• Kein FR-4 verwenden (Do Not Use FR-4): Aufgrund seiner niedrigen Kosten ist FR-4 eine häufige Wahl. Für Schaltungen, die hohe Frequenzen erzeugen, ist FR-4 jedoch ungeeignet.
• Nur glatte Folien verwenden (Use Only Smooth Foils): Um Verluste bei höchsten Frequenzen zu minimieren, glatte Kupferfolie verwenden.
• Leitfähige Folie verwenden (Use a Conductive Foil): Schlechte Leiter können einen dämpfenden Effekt auf die Schaltung haben. Um dies zu vermeiden, nur die richtige leitfähige Folie verwenden.

Bei PCBs dreht sich Leistung um Qualität, die Sie nur mit hochwertigen, gut abgestimmten Teilen sicherstellen können. Während Sie durch Kataloge schauen und überlegen, welche PCB Ihren Bedürfnissen am besten entspricht, behalten Sie auch folgende Überlegungen im Hinterkopf:

• Kosten: Substrate guter Qualität können eine erhebliche Investition sein. Tatsache ist: Sie bekommen, wofür Sie bezahlen, bei Leiterplatten. Wenn Sie nicht bereit sind, angemessen zu investieren, riskieren Sie, langfristig weit mehr zu verlieren, wenn Teile versagen.

• Fertigungsfehler (Manufacturing Defects): Bei jedem Material, das für hohe Frequenzen designed ist, ist es immer ratsam, mögliche Fehler doppelt zu prüfen, die bei PTFE und bestimmten anderen Materialien häufig sind.

Wenn Sie die richtigen Materialien wählen, den richtigen Betrag investieren und auf Fertigungsfehler prüfen, ist es viel wahrscheinlicher, dass Sie viele Jahre Leistung ohne Verluste von Ihrer Leiterplatte erhalten.

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Bei Millennium Circuits Limited (MCL) bieten wir erstklassige Leiterplatten. Jede PCB, die wir anbieten, ist wettbewerbsfähig bepreist und perfekt engineered. Als Pennsylvanias führender PCB-Lieferant ist es unsere Mission bei MCL, den besten Service bei Bestellmengen aller Größen zu bieten.

Von unseren bescheidenen Anfängen in einem Keller in Harrisburg, Pennsylvania, bis zu unserem heutigen geräumigen Hauptsitz haben wir hunderte Kunden weltweit mit unseren expertmäßig produzierten PCBs erreicht. Heute liefern wir PCBs sowohl lokal als auch offshore, was unseren Kunden mehr Flexibilität bei der Wahl von MCL als PCB-Quelle gibt.

Nach drei aufeinanderfolgenden Jahren unter den „Top 50 am schnellsten wachsenden Unternehmen in Zentral-PA“ wurde MCL 2015 unter die Top 250 Unternehmen des Staates gerankt – bemerkenswerter Fortschritt für ein Unternehmen, das erst 10 Jahre zuvor mit der Absicht startete, letztlich zu einem führenden PCB-Lieferanten zu wachsen. Mit unserer 98-prozentigen „Excellent“-Qualitätsbewertung und unserem 99-prozentigen On-Time-Delivery-Rekord kann das Team bei MCL Ihnen den besten Kundenservice bieten. Um mehr über unsere PCBs zu erfahren, besuchen Sie unsere Produkt- und Service-Seiten und kontaktieren Sie uns noch heute, um mit unseren Vertretern in Verbindung zu treten.

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