Leitfaden zur Auswahl von Leiterplattenmaterialien

Der wichtigste Bestandteil der Elektronik ist die Leiterplatte (PCB). Alternativ wird das Akronym auch für gedruckte Leiterplatten und gedruckte Schaltkarten verwendet, die im Wesentlichen dasselbe sind. Aufgrund der entscheidenden Rolle dieser Leiterplatten in allen möglichen Geräten, von Computern bis hin zu Taschenrechnern, sollte die Materialauswahl für Leiterplatten sorgfältig und unter Berücksichtigung der elektrischen Anforderungen des jeweiligen Geräts erfolgen.

Vor der Entwicklung der Leiterplatte waren Leiterplattenmaterialien meist mit einem Gewirr aus sich überlappenden Drähten bedeckt, die an bestimmten Stellen leicht versagen konnten. Außerdem konnten sie mit zunehmendem Alter und beginnenden Rissen Kurzschlüsse verursachen. Wie zu erwarten war, war die manuelle Verdrahtung dieser frühen Leiterplatten verwirrend und mühsam.

Da immer mehr elektronische Bauteile des Alltags auf Leiterplatten basieren, begann ein Wettlauf um einfachere und kompaktere Alternativen. Dies führte zur Entwicklung des Materials PCB. Mit PCB-Materialien können Schaltkreise zwischen einer Vielzahl verschiedener Komponenten verlegt werden. Das Metall, das die Stromübertragung zwischen der Platine und den angeschlossenen Komponenten ermöglicht, wird als Lot bezeichnet und erfüllt mit seinen klebenden Eigenschaften gleichzeitig einen doppelten Zweck.

PCB-Materialzusammensetzung

Der Aufbau einer Leiterplatte besteht im Allgemeinen aus vier Schichten, die durch Wärme zu einer einzigen Schicht zusammenlaminiert werden. Das in der Leiterplatte verwendete Material besteht von oben nach unten aus den folgenden Schichten:

• Siebdruck

• Lötstopplack

• Kupfer

• Substrat

Die letzte dieser Schichten, das Substrat, besteht aus Fiberglas und ist auch als FR4 bekannt, wobei die Buchstaben FR für „feuerhemmend“ stehen. Diese Substratschicht bietet eine solide Grundlage für Leiterplatten, die Dicke kann jedoch je nach Verwendungszweck einer bestimmten Platte variieren.

Es gibt auch günstigere Platinen auf dem Markt, die nicht die oben genannten PCB-Materialien verwenden, sondern aus Phenolen oder Epoxiden bestehen. Aufgrund der thermischen Empfindlichkeit dieser Platinen neigen sie dazu, ihre Laminierung leicht zu verlieren. Diese günstigeren Platinen sind oft leicht am Geruch zu erkennen, den sie beim Löten abgeben.

Die zweite Schicht einer Leiterplatte besteht aus Kupfer, das mit einer Mischung aus Hitze und Klebstoff auf das Substrat laminiert wird. Die Kupferschicht ist dünn, und auf manchen Leiterplatten befinden sich zwei solcher Schichten – eine über und eine unter dem Substrat. Leiterplatten mit nur einer Kupferschicht werden tendenziell für günstigere Elektronikgeräte verwendet.

Das massiv verwendete kupferkaschierte Laminat (CCL) kann gemäß unterschiedlicher Klassifizierungsstandards, darunter Verstärkungsmaterial, verwendeter Harzkleber, Entflammbarkeit und CCL-Leistung, in unterschiedliche Kategorien eingeteilt werden.

Über der grünen Lötmaske befindet sich die Siebdruckschicht. Diese fügt Buchstaben und Zahlen hinzu, die die Leiterplatte für Programmierer lesbar machen. Dies wiederum erleichtert es Elektronikmonteuren, jede Leiterplatte an der richtigen Stelle und in der richtigen Ausrichtung auf jedem Bauteil zu platzieren. Die Siebdruckschicht ist üblicherweise weiß, manchmal werden aber auch Farben wie Rot, Gelb, Grau und Schwarz verwendet.

Technische Begriffe für PCB-Layer

Neben dem Verständnis des Schichtaufbaus von Leiterplatten ist es auch wichtig, die folgenden Fachbegriffe zu kennen, die mit der Verwendung von Leiterplatten einhergehen:

• Ringförmiger Ring. Der Kupferring, der die Löcher auf einer Leiterplatte umgibt.

• DRC. Ein Akronym für Design Rule Check. Im Wesentlichen ist DRC ein Verfahren, bei dem das Design einer Leiterplatte auf seine Funktionalität überprüft wird. Zu den überprüften Details gehören die Breite der Leiterbahnen und Bohrlöcher.

• Bohrtreffer. Beschreibt alle Löcher auf einer Leiterplatte, egal ob korrekt oder falsch platziert. Manchmal kann ein Loch aufgrund stumpfer Bohrwerkzeuge bei der Produktion leicht ungenau sein.

• Finger. Freiliegendes Metall entlang der Platinenkante, das als Verbindungspunkt zwischen zwei Leiterplatten dient. Finger findet man am häufigsten bei alten Videospielen und Speicherkarten.

• Mausbits. Ein Abschnitt der Platine, der so stark gebohrt wurde, dass die strukturelle Integrität einer Leiterplatte gefährdet ist.

• Pad. Ein Bereich aus freiliegendem Metall auf einer Leiterplatte, auf den im Allgemeinen ein Lötstück aufgebracht wird.

• Panel. Eine große Leiterplatte, die aus kleineren Platinen besteht, die für den individuellen Gebrauch getrennt werden. Der Grund für diese Vorgehensweise ist, die Schwierigkeiten zu beseitigen, die Bediener bei der Handhabung kleinerer Platinen haben.

• Pastenschablone. Eine Metallschablone auf einer Platine, auf die Paste zum Löten aufgetragen wird.

• Ebene. Ein größerer Abschnitt freiliegenden Kupfers auf einer Leiterplatte, der durch Ränder gekennzeichnet ist, aber keinen Pfad aufweist.

• Durchkontaktiertes Loch. Ein Loch, das direkt durch eine Leiterplatte geht und üblicherweise zum Anschluss einer anderen Komponente dient. Das Loch ist durchkontaktiert und weist üblicherweise einen Ring auf.

• Schlitz. Jedes Loch, das nicht kreisförmig ist. Leiterplatten mit Schlitzen sind oft teuer, da die Herstellung ungewöhnlich geformter Löcher auf einer Leiterplatte hohe Produktionskosten verursacht. Schlitze sind in der Regel nicht beschichtet.

• Oberflächenmontage. Eine Methode, bei der externe Komponenten ohne Verwendung von Durchgangslöchern direkt auf der Platine montiert werden.

• Spur. Eine fortlaufende Kupferleitung über eine Leiterplatte.

• V-Score. Eine Stelle, an der die Platine teilweise eingeschnitten wurde. Dies kann dazu führen, dass die Leiterplatte bricht.

• Via. Ein Loch, durch das Signale zwischen den Schichten übertragen werden. Vias gibt es in geschlossenen und geschlossenen Versionen. Geschlossene Versionen sind mit einer Lötstoppmaske abgedeckt, während offene Vias für die Verbindung von Steckverbindern verwendet werden.

Die Zahl vor einer Lage gibt die genaue Anzahl der leitenden Schichten an, sei es eine Routing- oder eine Planebene – die beiden Schichttypen. Schichten haben in der Regel die Nummer 1 oder eine der vier folgenden geraden Zahlen: 2, 4, 6, 8. Lagenplatinen haben manchmal ungerade Zahlen, aber diese sind selten und würden kaum einen Unterschied machen. Beispielsweise wäre das PCB-Material einer 5- oder 6-lagigen Platine nahezu identisch.

Die beiden Layer-Typen haben unterschiedliche Funktionen. Routing-Layer enthalten Leiterbahnen. Plane-Layer dienen als Stromanschlüsse und enthalten Kupferflächen. Plane-Layer enthalten außerdem Inseln, die den Signalzweck einer Platine bestimmen, sei es 3.3 V oder 5 V.

FR4 ist der Codename für glasfaserverstärkte Epoxid-Laminatplatten. Aufgrund seiner Festigkeit sowie seiner Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit und Feuer ist FR4 eines der beliebtesten Leiterplattenmaterialien.

Weitere Überlegungen zum PCB-Design

Die Dicke einer Lagenplatte wird mit 1.6 mm angegeben. Bei 4-Lagen-Platinen ist 1.6 mm das Standardmaß. Achten Sie bei der Auswahl der Platten für ein Gerät auf die Dicke. Dickere Platten bieten beispielsweise mehr Halt, wenn schwere Verbindungsobjekte gestützt werden müssen.

Die Standarddicke für Kupfer auf ebenen Lagen beträgt 35 Mikrometer. Alternativ wird die Kupferdicke manchmal in Unzen oder Gramm angegeben. Bei Leiterplatten, die viele Anwendungen unterstützen, empfiehlt sich eine höhere Kupferdicke als üblich.

Gleise sind nicht für die Übertragung von Leistung ausgelegt. Dies kann jedoch manchmal passieren, wenn Signale die Frequenzen nicht richtig verarbeiten. Wird das Problem nicht behoben, können die Gleise erhebliche Leistungsverluste erleiden. Um möglichst viel Leistung von einer Seite des Gleises auf die andere zu übertragen, muss die Gleisführung die Übertragungsgleichungen berücksichtigen.

Im Allgemeinen beträgt der Leiterbahnabstand auf Layer-Platinen aus kupferbestücktem FR4-Leiterplattenmaterial zwei Zoll, vorausgesetzt, die Signallaufzeit beträgt eine Nanosekunde. Bei großen Leiterbahnlängen müssen jedoch auch die Auswirkungen der Übertragungsleitung berücksichtigt werden, insbesondere wenn die Signalintegrität entscheidend ist. Im Internet finden sich zahlreiche Programme und Tabellenkalkulationen, die bei der Berechnung der Impedanz für bestimmte Layer-Platinen helfen.

Auf den meisten Platinen sind die Vias leer und man kann in der Regel direkt durch sie hindurchsehen. Dennoch gibt es verschiedene Gründe, warum Vias gefüllt werden können. Erstens ist das Füllen notwendig, um eine Schutzbarriere gegen Staub und andere Verunreinigungen zu bilden. Zweitens können Vias gefüllt werden, um die Strombelastbarkeit zu erhöhen. In diesem Fall können leitfähige Materialien verwendet werden. Ein weiterer Grund für das Füllen von Vias ist das Nivellieren einer Platine.

Vias werden typischerweise mit Ball Grid Array (BGA)-Elementen gefüllt. Bei Kontakt zwischen einem BGA-Pin und einer inneren Schicht kann Lot durch das Via auf eine andere Schicht gelangen. Daher werden die Vias gefüllt, um sicherzustellen, dass kein Lot auf eine andere Schicht gelangt und die Kontaktintegrität wie vorgesehen erhalten bleibt.

Zu den problematischsten Vorkommnissen auf einer Lagenplatine gehört das Aussetzen eines Kontakts an einer Stelle der Platine. Je häufiger dies geschieht, desto eher kann dieser Teil der Platine komplett ausfallen. Der durchschnittliche Nutzer von Heimelektronik kennt dieses Problem, wenn eine Taste eines Taschenrechners nicht mehr funktioniert. Jede Taste drückt auf einen bestimmten Teil der Lagenplatine, und wenn eine Stelle defekt ist, kann die zugehörige Taste ihr Signal nicht mehr senden.

Eine weitere Möglichkeit, Kontakte an bestimmten Stellen abzureiben, besteht beim Einbau eines sekundären Kartensteckplatzes in ein Motherboard. Bei unsachgemäßer Handhabung der Karte kann eine der Stellen entlang der Karte beschädigt werden und von da an nicht mehr funktionieren. Der beste Schutz für die Kontaktflächen der Platine ist eine Goldschicht, die als langlebige Barriere dient. Gold kann jedoch kostspielig sein, und die Verwendung in den Laschen erfordert einen zusätzlichen Schritt im PCB-Herstellungsprozess.

PCB-Lötmaske

Die Farbe, die die meisten Menschen von Motherboards kennen, ist Grün, die Farbe der Lötstoppmaske. Obwohl seltener, kommt Lötstoppmaske manchmal auch in anderen Farben wie Rot oder Blau vor. Lötstoppmaske ist auch unter dem Akronym LPISM bekannt, was für Liquid Photo Imageable Solder Mask steht. Der Zweck der Lötstoppmaske besteht darin, das Auslaufen von flüssigem Lot zu verhindern. In den letzten Jahren sind solche Vorfälle aufgrund fehlender Lötstoppmaske häufiger aufgetreten. Den meisten Berichten zufolge bevorzugen Benutzer jedoch generell Platinen mit Lötstoppmaske gegenüber solchen ohne.

Nach dem Auftragen der Lötstoppmaske wird die Leiterplatte mit geschmolzenem Lot benetzt. Dabei werden die freiliegenden Kupferoberflächen gelötet. Dies ist Teil eines Prozesses, der als Heißluft-Lötnivellierung (HASL) bekannt ist. Beim Löten der SMD-Chips wird die Platine so weit erhitzt, dass das Lot schmilzt und die Bauteile an ihren richtigen Platz gebracht werden. Beim Trocknen des Lots werden auch die Bauteile gelötet. HASL enthält üblicherweise Blei als eine der Lotverbindungen, es gibt jedoch auch bleifreie Varianten.

Der Abstand der Leiterbahnbreite wird durch einen Strich angegeben. Wenn Sie beispielsweise die Zahl 6/6 mil sehen, bedeutet dies, dass sowohl die minimale Leiterbahnbreite als auch der minimale Leiterbahnabstand 6 mil betragen. Daher sollten alle Abstände auf der betreffenden Platine mindestens 6 mil betragen. Für diejenigen, die damit nicht vertraut sind: Die Einheit „mil“ wird zur Bestimmung der Abstände auf Leiterplattenmaterialien verwendet. Breite und Abstand sind besonders wichtig bei Platinen, die für hohe Stromstärken ausgelegt sind.

Bei mehrlagigen Leiterplatten lassen sich einzelne Leiterbahnen nicht visuell auf ihre Erreichbarkeit prüfen. Daher wird ein Test durchgeführt, bei dem Sonden am Ende der Leiterbahnen platziert werden, um die Erreichbarkeit aller Signale zu überprüfen. Der Test erfolgt durch Anlegen von Volt von einem Ende. Werden diese Spannungen von der anderen Seite erfasst, gelten die Leiterbahnen als funktionsfähig. Obwohl der Test bei ein- oder zweilagigen Leiterplatten nicht immer zwingend erforderlich ist, empfiehlt er sich dennoch, wenn Ihnen Qualität wirklich wichtig ist.

Durchkontaktierungen, die innere und äußere Lagen verbinden, werden als Blind Vias bezeichnet. Der Name rührt daher, dass solche Durchkontaktierungen nur von einer Seite aus sichtbar sind. Durchkontaktierungen, die zwei oder mehr innere Lagen verbinden, werden als Buried Vias bezeichnet, da sie von außen auf keiner Seite sichtbar sind. Auf Platinen mit Blind- und Buried Vias wird häufig Via Filling verwendet. Dies erhöht die Sicherheit der Außenfläche und verringert das Risiko, dass Lot durch die inneren Durchkontaktierungen dringt.

Materialauswahl beeinflusst die Kosten

Leiterplatten kosten typischerweise mehr, wenn sie Merkmale wie Goldkontakte, blinde oder vergrabene Vias oder Via-Füllungen aufweisen. Auch Leiterplatten mit einem Linien-/Breitenabstand unter 6 mils sind tendenziell teurer. Der Grund für diese höheren Preise liegt im alternativen Herstellungsprozess ungewöhnlicher Leiterplatten. Umgekehrt erweisen sich bestimmte Leiterplattenproduktionen als weniger profitabel oder erfolgreich, wenn niedrige Abstände oder innere Vias verwendet werden, und der höhere Preis dient dazu, Verluste auszugleichen. Es gibt Hersteller, die Leiterplatten mit Linien-/Breitenabständen von nur 3 mils produzieren, aber dies ist im Allgemeinen nicht zu empfehlen, es sei denn, es ist die einzige Option für ein bestimmtes Bauteil.

Einfluss von Leistung und Wärme auf die Auswahl des PCB-Materials

Von allen Faktoren, die Leiterplatten beeinflussen, sind Strom und Wärme die zwei intensivsten. Daher ist es wichtig, die jeweiligen Schwellenwerte zu bestimmen. Dies kann durch die Bewertung der Wärmeleitfähigkeit einer Leiterplatte erreicht werden. Diese definiert, wie Leistung über die Länge des Materials in Temperatur umgewandelt wird. Es gibt jedoch keine branchenweit festgelegten Werte für die Wärmeleitfähigkeit.

Rogers Corp. bietet beispielsweise ein PCB-Material namens RT/Duroid 5880 an, das häufig in der elektronischen Elektronik und Kommunikation eingesetzt wird. Die Dielektrizitätskonstante dieses Materials ist niedrig, da es sich um einen Verbundwerkstoff mit mikrofaserigen Glaselementen handelt. Diese Mikrofasern erhöhen die Festigkeit der Fasern im Material.

Aufgrund dieser niedrigen Dielektrizitätskonstante eignet sich die Leiterplatte ideal für Anwendungen mit hohen Frequenzen. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Materials kann es jedoch leicht zu einer Erwärmung kommen, was bei wärmeintensiven Anwendungen ein großer Nachteil sein kann.

PCB-Materialien und Industrieanwendungen

Für Anwendungen im Militär, der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Medizintechnik werden Leiterplatten sowohl ein- als auch doppelseitig hergestellt, teils kupferkaschiert, teils aluminiumkaschiert. In jeder dieser Branchen wird das Material für maximale Leistung in bestimmten Bereichen eingesetzt. Daher werden Leiterplattenmaterialien in manchen Branchen aufgrund ihres geringen Gewichts und in anderen aufgrund ihrer Fähigkeit, hohe Leistungen zu bewältigen, ausgewählt. Daher ist es bei der Auswahl von Leiterplattenmaterialien entscheidend, welche Funktionen miteinander verglichen werden müssen, da die Materialqualitäten mit den Leistungsniveaus korrelieren.

Flex- und Rigid-Flex-Boards

Flex- und Starrflex-Platinen erfreuen sich in den letzten Jahren aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten wachsender Beliebtheit. Sie lassen sich grundsätzlich biegen, falten und sogar um Objekte wickeln und ermöglichen so Anwendungen, die mit flachen Leiterplatten nicht realisierbar wären. Beispielsweise könnte eine Flexplatine für Geräte verwendet werden, die eine schräge Biegung der Platine erfordern und dennoch Strom von einem Ende zum anderen leiten, ohne dass Anschlussplatten erforderlich sind.

Die meisten Flexplatinen auf dem Markt bestehen aus Kapton, einer Polyimidfolie der DuPont Corporation. Die Folie zeichnet sich durch hohe Hitzebeständigkeit, Dimensionsstabilität und eine Dielektrizitätskonstante von nur 3.6 aus.

Kapton gibt es in drei Pyralux-Versionen:

• Flammhemmend (FR)

• Nicht flammhemmend (NFR)

• Klebstofffrei / hohe Leistung (AP)

Auswahl von Leiterplattenmaterialien – Qualität zuerst

Bei der Auswahl von Leiterplattenmaterialien ist Qualität von größter Bedeutung – egal, ob für Heimelektronik oder Industrieanlagen. Ein Bauteil mit einer Leiterplatte kann groß oder klein, günstig oder teuer sein. Entscheidend ist jedoch, dass das Bauteil über die gesamte erwartete Lebensdauer hinweg eine hervorragende Leistung bietet.

Obwohl es verschiedene Arten von Leiterplattenmaterialien für eine bestimmte Platine gibt, ist die Produktzuverlässigkeit das, was Verbraucher und Unternehmen bei Produkten mit Leiterplatten letztendlich erwarten. Natürlich ist es auch entscheidend, dass die Leiterplattenmaterialien stabil genug sind, um zusammenzuhalten, selbst wenn ein Bauteil versehentlich herunterfällt oder seitlich angestoßen wird.

Bei computergestützten Geräten beispielsweise gewährleisten langlebige Leiterplatten, dass Hardware-Updates durchgeführt werden können, ohne die vorhandenen Leiterplattenmaterialien zu beschädigen. Dasselbe gilt für elektronische Geräte, Mikrowellen und andere Haushaltsgeräte, deren Funktionstüchtigkeit auf Leiterplattentechnologie angewiesen ist. Selbst in elektronischen öffentlichen Einrichtungen wie Geldautomaten müssen Leiterplatten einwandfrei funktionieren, damit Tasten funktionieren und Befehle ohne Verzögerung verstanden werden.

At Wonderful PCBbieten wir ein umfassendes Sortiment an Leiterplattenzubehör und Montagedienstleistungen. Dank unserer über 20-jährigen Erfahrung und innovativen Technologien Wonderful PCB ist in der Lage, verschiedene Laminat- und Substratmaterialien zu verarbeiten, darunter FR4, Rogers usw., die am häufigsten verwendet werden. Unsere Dienstleistungen werden von Ingenieuren aus verschiedenen Branchen genutzt, die unterschiedliche Anforderungen an die Funktion und Funktionalität von PCB-Komponenten stellen. Um mehr über unsere Dienstleistungen zu erfahren, besuchen Sie unsere Montageübersicht und unsere Leistungsseiten oder kontaktieren Sie uns noch heute für ein unverbindliches Angebot.