PCB-Laminate:Ein umfassender Leitfaden

Die Komplexität des Aufbaus von Leiterplatten wird oft als selbstverständlich angesehen. Da wir Leiterplatten für unterschiedliche Anwendungsbereiche verwenden, erfordert jeder spezifische Materialien. Laminate sind ein unverzichtbares Material. Hersteller verwenden sie, um Leiterplatten zu entwickeln und herzustellen. Daher ist es notwendig, die verschiedenen Laminate zu verstehen, die Ihnen zur Verfügung stehen. In diesem Leitfaden erfahren Sie alles, was Sie über PCB-Laminate wissen müssen.

Was sind PCB-Laminate?

Ein Robotergerät, das Miniatur-Leiterplatten entwickelt, die ein Laminat halten

Im Allgemeinen bestehen Leiterplatten aus vier Schichten:Siebdruck, Lötstoppmaske, Kupfer und Substrat (von oben nach unten). Folglich müssen diese Schichten miteinander verbunden werden, um eine funktionale Struktur für die PCB zu bilden. Somit besteht der Zweck des PCB-Laminats darin, die PCB-Schichten aneinander zu befestigen.

Laminate sind oft kupferkaschierte Materialien, die typischerweise aus Harzplatten bestehen. Das Harz, das Hersteller zum Aufbau von Laminaten verwenden, ist normalerweise auf Epoxidbasis. Es kann jedoch aus anderen Stoffen bestehen. Dennoch härtet der Hersteller die Platten zunächst mit duroplastischem Harz aus, um das Laminat herzustellen. Als nächstes komprimieren wir diese Harzblätter zusammen, indem wir zwei Kupferfolienblätter auf jeder flachen Seite der Sammlung anbringen.

Schließlich wendet der Hersteller Wärme und Kraft an, bis sich die Blätter verbinden. Nachdem das Laminat ausgehärtet ist, ähnelt es einem Kunststoff oder einem harten, glasartigen Material.

Was ist der Unterschied zwischen Laminaten und Prepregs?

Kohlefaser-Technologieanlage zur Herstellung von Prepreg-Material
Quelle:Flickr (CC – Allgemein)

Prepregs sind typischerweise Platten aus verstärktem Fiberglas. Prepreg-Hersteller entwickeln sie, indem sie diese Glasfaserplatten mit Härtern wie Epoxidharz auftragen oder vorimprägnieren. Dementsprechend unterscheidet sich dies stark vom Prozess der Entwicklung von Laminaten. Laminate bestehen häufig aus Prepreg-Platten. Prepregs sind nur ausgehärtete und imprägnierte Gewebe. Im Gegensatz dazu sind Laminate druckbeaufschlagte und erhitzte Materialbahnen.

Typen von PCB-Laminaten

Sammlung von Leiterplatten

Wie bereits erwähnt, verwenden wir unterschiedliche Leiterplatten für unterschiedliche Anwendungen. Beispielsweise können Hersteller von Gerätekomponenten flexible Leiterplatten in kompakten Geräten verwenden. Die gebräuchlichsten Typen von PCB-Laminaten sind:

FR-4 (FR4)

Kupferkaschierte Fr-4-Leiterplatte

FR-4 bezieht sich auf glasfaserverstärkte Epoxidharzlaminate. Es ist ein schwer entflammbares Material. Daher der Name FR-4 (FR =Flame Retardant). Dennoch ist FR-4 das beliebteste Material für PCB-Substrate. Diese Tatsache ist auf seine hohe mechanische und elektrische Festigkeit zurückzuführen. Darüber hinaus zeichnet es sich durch eine hohe Wärmeableitung aus, wenn Hersteller Additive auftragen. Darüber hinaus können diese Additive die Stabilität, Zuverlässigkeit und Leistungsspezifikation des Materials erhöhen.

Dennoch kann FR-4 aufgrund seiner Konstanz Schaltungen mit einer hohen Anzahl von Schichten aufnehmen. Als solches ist es für die Hochfrequenz-PCB-Fertigung geeignet.

Polyimid

Flex-Leiterplatte, die Polyimid-Material verwendet
Quelle:Wikimedia Commons

Hersteller schätzen Polyimidlaminate wegen ihrer hohen thermischen Effizienz. Außerdem sind sie in der Regel zuverlässiger als FR-4-Materialien. Diese Tatsache ist hauptsächlich auf ihre geringe Wärmeausdehnung zurückzuführen. Folglich implementieren Gerätehersteller sie in Elektronik, die Menschen in rauen Umgebungen verwenden. Darüber hinaus sind sie sehr gut geeignet für PCB-Designs, die mehrere Schichten erfordern. Hersteller verwenden dieses Material jedoch für die Herstellung flexibler Leiterplatten.

Teflon

Hersteller verwenden typischerweise Teflonlaminate, um Hochgeschwindigkeits-PCBs zu entwickeln. Das liegt übrigens an ihren hervorragenden elektrischen Eigenschaften. Genau wie bei FR-4 können Hersteller Teflon Additive hinzufügen, um die mechanische Belastung zu erhöhen.

Teflon ist eines der teuersten Laminatmaterialien. Als solches ist es eines der am wenigsten verbreiteten Materialien in der Leiterplattenherstellung und -herstellung. Darüber hinaus erfordert die Herstellung von Laminaten auf Teflonbasis Geschick, hohes Fachwissen und spezielle Ausrüstung.

Epoxy mit hoher Tg

Epoxid mit hoher Tg ist ein Laminatmaterial mit einer hohen Glasübergangstemperatur (AKA-Verglasungstemperatur). Aufgrund dieser Eigenschaft zeichnet es sich durch eine hervorragende Hitzetoleranz aus. Daher eignet es sich hervorragend für den Einsatz in industriellen Anwendungen und Maschinen. Darüber hinaus hat High Tg Epoxy eine hervorragende Chemikalien- und Feuchtigkeitsbeständigkeit. Hersteller verwenden es typischerweise beim Bau von mehrschichtigen Leiterplatten.

BT-Epoxid

BT-Epoxy ist eine Kombination aus Bismaleimidtriazin und Epoxidharz. Hersteller schätzen es wegen seiner Fähigkeit, seine Struktur bei extremen Temperaturen beizubehalten. Es hat hervorragende elektrische und mechanische Eigenschaften. Daher eignet es sich hervorragend für militärische und industrielle Anwendungen. Dennoch sind bleifreie und mehrschichtige Leiterplatten die häufigsten Leiterplatten, die BT-Epoxy-Laminate verwenden.

Andere Materialien

Glasfasermaterial

Die oben aufgeführten Materialien sind nicht die einzigen, die Hersteller zur Herstellung von Laminaten verwenden. Beispielsweise verwenden wir kupferkaschierte Laminate für Hochfrequenz-Leiterplatten. Darüber hinaus können wir Keramikgewebe, Cyanatester und andere Harz- und Chemikalienkombinationen verwenden.

Diese Materialien sind jedoch möglicherweise nicht der Rede wert, da die Hersteller sie nicht so stark wie die anderen Materialien in diesem Leitfaden verwenden. Darüber hinaus können sie auch teurer und schwieriger zu manipulieren sein.

Eigenschaften von Laminaten

Berücksichtigen Sie bei der Auswahl des geeigneten Materials und Laminats für Ihre Leiterplatte einige Eigenschaften. Diese Eigenschaften können entweder thermischer, mechanischer oder elektrischer Natur sein. In diesem Abschnitt werden diese Eigenschaften untersucht.

Thermische Eigenschaften

Leiterplatte mit Verbrennungen durch Kurzschluss

• Glasübergangstemperaturen (Tg) :Laminate verlieren ihre strukturelle Integrität, wenn sie einen bestimmten Temperaturbereich erreichen. Daher verwenden wir die Glasübergangstemperatur, um festzustellen, wann das Laminat weich und hart wird.
• Zersetzungstemperatur (Td): Beschreibt den Temperaturpunkt, ab dem das Laminat dauerhaft geschädigt wird (Schmelzen). Daher ist es wichtig, PCB-Laminate zu verwenden, deren Betriebstemperaturen unterhalb des Zersetzungsbereichs liegen.
• Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE): Beschreibt die Expansionsrate des Laminats. Wenn wir dem Laminat Wärme zuführen, die seine CTE-Schwelle überschreitet, beginnt es sich auszudehnen. Daher ist es wichtig, den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu unterschreiten, wenn eine Leiterplatte in ein Gerät integriert wird.
• Wärmeleitfähigkeit (k): Eine Eigenschaft, die die Fähigkeit eines Laminats beschreibt, Wärme zu übertragen oder zu leiten. Es wird durch Kelvin dargestellt.

Elektrische Eigenschaften

Makrofoto einer Leiterplatte

• Dielektrizitätskonstante ( ϵr ) :Beschreiben Sie die elektrische und relative Permeabilität des Laminats. Grundsätzlich kann er zwischen 3,5 und 5,5 ϵr liegen.
• Dielektrischer Verlustfaktor (tan δ): Stellt die quantifizierbare Diffusion elektrischer Energie im Laminat dar. Typischerweise haben PCB-Laminate einen tan δ zwischen 0,02 und 0,0001.
• Elektrischer/Volumenwiderstand (ρ): Repräsentiert die Fähigkeit des Laminats, elektrischem Strom zu widerstehen. Im Allgemeinen haben Laminate einen spezifischen elektrischen Widerstand zwischen 103 und 1010 Ω⋅m (Megaohm).
• Oberflächenwiderstand (ρS): Bezeichnet den externen Widerstand des Laminats. Feuchtigkeit und Temperatur können es beeinflussen.
• Elektrische Stärke: Repräsentiert die Fähigkeit des Laminats, einem elektrischen Durchschlag zu widerstehen. Im Volksmund spricht man übrigens auch von Durchschlagsfestigkeit. Wir verwenden Volt pro Meter, um es darzustellen.

Chemische Eigenschaften

Leiterplatten in Wasser und Seife getaucht.

• Entflammbarkeit: Eine Eigenschaft, die die Fähigkeit dieses Laminats darstellt, Flammenentzündungen zu widerstehen. Obwohl die meisten Laminate dazu neigen, brennbar zu sein, können sie dennoch durch äußere Brände beeinträchtigt werden. Diese Eigenschaft gibt also an, wie lange ein Laminat im Brandzustand brennt.
• Feuchtigkeitsaufnahme: Gibt an, wie viel Luftfeuchtigkeit ein Laminat widerstehen kann. Vor allem, wenn wir das Laminat in Wasser tauchen. Dennoch beeinflusst dieser Wert die thermischen und dielektrischen Eigenschaften des Laminats.
• Methylenchlorid-Beständigkeit: Bezeichnet die chemische Beständigkeit des Laminats. Speziell zu Dichlormethan (oder Methylenchlorid).

Mechanische Eigenschaften

Automatisierte Produktion eines RAM-Moduls unter Verwendung einer miniaturisierten Leiterplatte

• Schälfestigkeit: Bezieht sich auf die Stärke der Bindung, die die verschiedenen Schichten des Laminats verbindet.
• Biegefestigkeit: Beschreibt die Fähigkeit des Laminats, physikalischen Belastungen standzuhalten. Im Grunde ist es Zugfestigkeit. Im Wesentlichen gibt diese Eigenschaft an, wie viel Druck Sie ausüben und ein Laminat biegen können, bevor es schließlich bricht.
• Dichte: Bezieht sich auf die Masse oder Dicke des Laminats.
• Zeitpunkt der Delaminierung: Bezeichnet die Zeit, die ein Laminat Temperaturen über dem Schwellenwert standhalten kann, bevor es sich zu zersetzen beginnt.

Auswahl von PCB-Laminatmaterial

Eine Maschine, die Löcher in eine Leiterplatte bohrt

Wenn Sie das Material für Ihr Elektro-/Leiterplattenlaminat in Betracht ziehen, gibt es neben den technischen Spezifikationen oder Eigenschaften einige Dinge zu beachten. Zu den weiteren Aspekten, die Sie berücksichtigen müssen, gehören:

Die Kosten

Bei der Auswahl von Leiterplattenlaminaten sollten immer zuerst die Kosten geprüft werden. Es mag zwar vernünftig erscheinen, die teuersten Materialien zu beschaffen, aber für große Produktionen ist es möglicherweise nicht ideal. Auch hier ist FR-4 das beliebteste PCB-Laminatmaterial. Als solches ist es am kostengünstigsten zu erwerben. Es hat eine hohe Zuverlässigkeit und ist für einlagige und mehrlagige Leiterplatten geeignet. Während Sie teurere Materialien (z. B. Gold) beschaffen und in Ihre Designs integrieren können, sollten Sie einen pragmatischeren Ansatz in Betracht ziehen. Wir empfehlen den Kauf von Stoffen, die alles erfüllen, was Sie brauchen, und gleichzeitig das meiste Geld sparen.

Die Qualität

Sammlung grüner Prototyping-Boards

Die Qualität schneidet sich leicht mit den Kosten. Hochwertige Materialien sind tendenziell teurer. Sie können jedoch immer noch ein Gleichgewicht zwischen diesen beiden Aspekten finden. Daher sollten Sie Ihre Materialien von einem Großhändler oder Produzenten beziehen, der dafür bekannt ist, hochwertige Stoffe zu einem vernünftigen Preis zu verkaufen.

Der Leiterplattenhersteller

Automatisches Kolbenlöten einer Leiterplatte

Bei der Auswahl der Materialien für Ihre Laminate, die schließlich zu Ihrer Leiterplatte werden, ist es am besten, mit einem renommierten Leiterplattenhersteller zusammenzuarbeiten. Dieser Hersteller sollte sehr erfahren mit den Materialien sein, die Sie in Ihr Laminat integrieren möchten. Der Hersteller sollte mit einer Vielzahl von Glasfaser- und Stoffstilen vertraut sein.

Darüber hinaus sollten sie in der Lage sein, Ihre PCB-Designs und Materialauswahl zu validieren. Wir decken Sie mit unseren modern ausgestatteten Fabriken vom Prototypenbau bis zur Massenproduktion ab. Kontaktieren Sie Wellpcb.com für alle Ihre Anforderungen an die Leiterplattenherstellung.

Zusammenfassung

PCB mit neben Abschirmmaterial

Vor dem Aufkommen von PCBs mussten sich Hersteller elektronischer Geräte auf Punkt-zu-Punkt-Konstruktionen und Wire-Wrap-Designs verlassen. Man kann mit Sicherheit sagen, dass moderne Leiterplatten die aktuelle Elektronik ermöglichen. Die Leistungsfähigkeit der Leiterplatten hängt stark vom verwendeten Material ab. Wie der obige Leitfaden hervorhebt, sind Laminate und Laminatmaterialien deshalb so wichtig. Trotzdem hoffen wir, dass Sie diesen Leitfaden als hilfreich empfunden haben. Wie immer danke fürs Lesen.