Es ist weithin bekannt, dass die grundlegenden Eigenschaften von Leiterplatten (Printed Circuit Boards, PCBs) von der Leistungsfähigkeit ihres Substratmaterials abhängen. Daher müssen Sie, um die Leistung Ihrer Leiterplatten zu verbessern, zunächst die Leistungsfähigkeit des Substratmaterials optimieren. Bis heute werden zahlreiche neue Materialtypen entwickelt und in Anwendungen eingeführt, um die Anforderungen zu erfüllen, die mit neuen Technologien und Markttrends einhergehen.
In den letzten Jahren hat sich der Markt für Leiterplatten gewandelt: Der Schwerpunkt hat sich von herkömmlichen Hardwareprodukten wie Desktop-PCs hin zu drahtlosen Kommunikationsanwendungen wie Servern und mobilen Endgeräten verlagert. Mobile Kommunikationsgeräte, vertreten durchSmartphones treiben den Fortschritt von Leiterplatten hin zu hoher Dichte, Leichtigkeit und Mehrfachfunktionen voranDie Leiterplattentechnologie kann niemals ohne Substratmaterial realisiert werden, dessen technologische Anforderungen eng mit der Leistung der Leiterplatte verbunden sind. Daher spielt die Auswahl des Substratmaterials eine entscheidende Rolle für die Qualität und Zuverlässigkeit von Leiterplatten und der Endprodukte, denen sie dienen.
•Anforderung an Kupferfolie
Alle Leiterplatten entwickeln sich zu höherer Dichte und feineren Leiterbahnen, insbesondere HDI-Leiterplatten (High Density Interconnect PCBs). Vor einem Jahrzehnt wurde eine HDI-Leiterplatte von der IPC als eine Leiterplatte definiert, deren Leiterbahnbreite (L) und Leiterbahnabstand (S) 0,1 mm oder weniger beträgt. Gegenwärtig kann der Standardwert von L und S in der heutigen Elektronikindustrie jedoch so klein wie 60 μm sein, und in fortschrittlichen Anwendungen können ihre Werte sogar bis auf 40 μm sinken.
Das herkömmliche Verfahren zur Bildung von Leiterbahnstrukturen beruht auf Bildgebung und Ätzen, wodurch mit der Verwendung eines dünnen Kupferfoliensubstrats (Dicke im Bereich von 9 μm bis 12 μm) der niedrigste Wert von L und S 30 μm erreicht.
Da dünne Kupferfolien-CCL (kupferkaschiertes Laminat) hohe Kosten und beim Stapeln viele Defekte aufweist, neigen viele Leiterplattenhersteller dazu, stattdessen das Ätzverfahren mit reduziertem Kupfer zu verwenden, wobei die Kupferfoliendicke auf 18 μm festgelegt wird. Dieses Verfahren wird jedoch eigentlich nicht empfohlen, da es zu viele Prozessschritte umfasst, die Dicke nur schwer zu kontrollieren ist und die Kosten steigen. Daher ist dünne Kupferfolie die bessere Wahl. Außerdem ist Standardkupferfolie nicht geeignet, wenn die L- und S-Werte der Leiterplatte unter 20 μm liegen. Schließlich wird ultradünne Kupferfolie empfohlen, da ihre Kupferdicke im Bereich von 3 μm bis 5 μm liegt.
Abgesehen von der Dicke der Kupferfolie stellt die aktuelle Feinstleitertechnik auch Anforderungen an eine geringe Rauheit der Kupferfolienoberfläche. Um die Haftfähigkeit zwischen Kupferfolie und Substratmaterial zu verbessern und die Abzugfestigkeit der Leiterbahnen sicherzustellen, wird die Oberfläche der Kupferfolie aufgeraut, und die übliche Rauheit der Kupferfolie beträgt mehr als 5 μm.
Das Einbetten von Erhebungen auf Kupferfolie in das Substratmaterial zielt darauf ab, deren Abziehfestigkeit zu erhöhen. Um jedoch die Leiterbahngenauigkeit so zu steuern, dass ein Überätzen während des Leiterbahnätzens vermieden wird, neigen Verunreinigungen durch diese Erhebungen dazu aufzutreten, sodass Kurzschlüsse zwischen den Leiterbahnen entstehen oder die Isolationsfähigkeit verringert werden kann, was insbesondere feine Leiterstrukturen beeinträchtigt. Daher wird Kupferfolie mit geringer Rauheit (weniger als 3 μm oder sogar 1,5 μm) benötigt.
Trotz der Verringerung der Rauheit der Kupferfolie muss die Abzugfestigkeit der Leiterbahnen weiterhin erhalten bleiben, was eine spezielle Oberflächenbehandlung auf der Oberfläche der Kupferfolie und des Substratmaterials erforderlich macht, die dazu beiträgt, die Abzugfestigkeit der Leiterbahnen sicherzustellen.
•Anforderung an isolierende dielektrische Laminate
Eine der wichtigsten technologischen Eigenschaften von HDI-Leiterplatten liegt im Aufbauprozess. RCC (Resin Coated Copper), das üblicherweise verwendet wird, oder Prepreg-Epoxid-Glasgewebe und Kupferfolienlaminierung führen nur selten zu feinen Leiterbahnen. Derzeit werden SAP und MSPA zunehmend eingesetzt, was den Einsatz einer Laminierung mit isolierender dielektrischer Folie und chemischer Kupferbeschichtung zur Erzeugung einer leitenden Kupferebene bedeutet. Feine Leiterbahnen können aufgrund der dünnen Kupferebene hergestellt werden.
Einer der Schlüsselpunkte von SAP liegt im laminierten dielektrischen Material. Um die Anforderungen hochdichter Feinstleiter-Schaltungen zu erfüllen, müssen an das Laminiermaterial bestimmte Anforderungen gestellt werden, darunter dielektrische Eigenschaften, Isolationsvermögen, Wärmebeständigkeit und Haftung, verbunden mit einer technologischen Anpassung, die mit HDI-Leiterplatten kompatibel ist.
Unter den globalen Halbleitergehäusen wird das IC-Gehäusesubstrat von einem Keramiksubstrat in ein organisches Substrat umgewandelt. Der Pitch des FC-Gehäusesubstrats wird zunehmend kleiner, sodass der derzeit typische Wert von L und S 15 μm beträgt und weiter sinken wird.
Die Leistung von Mehrschicht-Substraten sollte niedrige dielektrische Eigenschaften, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) und eine hohe Hitzebeständigkeit betonen, was sich auf Substrate bezieht, die auf niedrige Kosten ausgerichtet sind und gleichzeitig die Leistungsanforderungen erfüllen. Heutzutage wird die MSPA-Technologie der Laminierung von isolierenden Dielektrika in Kombination mit dünner Kupferfolie in der Serienproduktion feiner Leiterbahnen eingesetzt. SAP wird zur Herstellung von Leiterbildstrukturen verwendet, bei denen sowohl L als auch S weniger als 10 μm betragen.
Die hohe Dichte und Dünnheit von Leiterplatten führt zur Umstellung von HDI-Leiterplatten von der Laminierung mit Kern auf beliebige lagenunabhängige Ausführungen ohne Kern. Bei HDI-Leiterplatten mit denselben Funktionen verringern sich Fläche und Dicke derjenigen mit Interconnection auf beliebiger Lage um 25 % im Vergleich zu solchen mit Kernlaminierung. In beiden Arten von HDI-Leiterplatten muss eine dünnere dielektrische Schicht mit besseren elektrischen Eigenschaften eingesetzt werden.
Anforderungen aus hoher Frequenz und hoher Geschwindigkeit
Die elektronische Kommunikationstechnologie hat sich von kabelgebunden zu drahtlos und von niedriger Frequenz und niedriger Geschwindigkeit zu hoher Frequenz und hoher Geschwindigkeit entwickelt. Die Leistung von Smartphones hat sich von 4G zu 5G weiterentwickelt, um den steigenden Anforderungen nach höherer Übertragungsgeschwindigkeit und größerem Übertragungsvolumen gerecht zu werden.
Mit dem Beginn des globalen Cloud-Computing-Zeitalters vervielfacht sich das Datenverkehrsaufkommen, wobei ein deutlicher Trend zu Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsgeräten zu beobachten ist. Um die Anforderungen an Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsübertragung zu erfüllen, ist Hochleistungsmaterial neben der Reduzierung von Signalstörungen und -verlusten, der Signalintegrität und der Fertigungskompatibilität mit den Designanforderungen im Hinblick auf das PCB-Design das wesentlichste Element.
Die Hauptaufgabe von Ingenieuren besteht darin, sich mit den Eigenschaften elektrischer Signaldämpfung zu befassen, um die Geschwindigkeit von Leiterplatten (PCB) zu erhöhen und Probleme der Signalintegrität zu lösen. Basierend auf den über zwanzig Jahren Fertigungsdienstleistungen von PCBCart gilt als Schlüsselfaktor für die Auswahl von Substratmaterialien: Wenn die Dielektrizitätskonstante (Dk) unter 4 und der dielektrische Verlust (Df) unter 0,010 liegt, wird dies als Laminat mit mittlerem Dk/Df betrachtet, und wenn Dk unter 3,7 und Df unter 0,005 liegt, wird dies als Laminat mit niedrigem Dk/Df betrachtet. Derzeit können auf dem Markt mehrere Arten von Substratmaterialien ausgewählt werden.
Bislang werden als häufig verwendete Hochfrequenz-Leiterplattensubstratmaterialien hauptsächlich drei Typen eingesetzt: Fluorharz, PPO- oder PPE-Harz und modifiziertes Epoxidharz. Fluorhaltige dielektrische Substrate, wie beispielsweise PTFE, die die niedrigste dielektrische Konstante aufweisen, werden in der Regel für Produkte mit einer Frequenz von 5 GHz oder höher verwendet. Modifizierte Epoxidharz-Substrate wie FR-4 oder PPO-Substrate werden hingegen für Produkte mit einer Frequenz im Bereich von 1 GHz bis 10 GHz eingesetzt.
Beim Vergleich der drei Arten von Hochfrequenz-Substratmaterialien weist Epoxidharz den niedrigsten Preis auf, während Fluorharz den höchsten hat. Hinsichtlich Dielektrizitätskonstante, dielektrischem Verlust, Wasseraufnahme und Frequenzverhalten schneidet Fluorharz am besten ab, während Epoxidharz schlechter ist. Wenn die von den Produkten genutzte Frequenz höher als 10 GHz ist, kann nur Fluorharz verwendet werden. Zu den Nachteilen von PTFE gehören hohe Kosten, geringe Steifigkeit und ein hoher Wärmeausdehnungskoeffizient.
Für PTFE können massive anorganische Stoffe (wie Siliziumdioxid) als Füllmaterial oder Glasgewebe eingesetzt werden, um die Steifigkeit des Substratmaterials zu erhöhen und den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verringern. Da sich Polyflon-Moleküle aufgrund ihrer Trägheit jedoch nur schwer mit Kupferfolie verbinden lassen, ist es außerdem notwendig, eine spezielle, mit Kupferfolie kompatible Oberflächenbehandlung durchzuführen. Das Behandlungsverfahren besteht entweder in einem chemischen Ätzen der Polyflon-Oberfläche zur Erhöhung der Oberflächenrauheit oder im Aufbringen eines Haftfilms zur Verbesserung der Haftfähigkeit. Durch die Anwendung dieses Verfahrens kann die dielektrische Leistung möglicherweise beeinflusst werden, und es muss eine weitere Entwicklung für die gesamten Hochfrequenzschaltungen der Fluorreihe durchgeführt werden.
Einzigartige Isolierharze, bestehend aus modifiziertem Epoxidharz oder PPE sowie TMA, MDI und BMI, werden in Kombination mit Glasgewebe häufiger eingesetzt. Ähnlich wie FR-4-CCL weist es außerdem eine hervorragende Wärmebeständigkeit und dielektrische Eigenschaften, eine hohe mechanische Festigkeit sowie eine gute Leiterplattenverarbeitbarkeit auf, was es gegenüber Substratplatten auf PTFE-Basis beliebter macht.
Neben den oben genannten Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Isoliermaterialien wie Harz ist die Oberflächenrauheit von Kupfer als Leiter ebenfalls ein wichtiger Faktor, der den Signalübertragungsverlust beeinflusst, was auf den Skin-Effekt zurückzuführen ist. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet der Skin-Effekt, dass die bei der Hochfrequenzsignalübertragung an den Leitern erzeugte elektromagnetische Induktion und Induktivität so stark auf die Mitte des Querschnitts des Leiters konzentriert werden, dass der Strom bzw. das Signal an die Oberfläche des Leiters gedrängt wird. Die Oberflächenrauheit von Leitern spielt eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung des Signalübertragungsverlustes, und eine geringe Rauheit führt zu geringen Verlusten.
Bei gleicher Frequenz führt eine hohe Oberflächenrauheit von Kupfer zu hohen Signaldämpfungen. Daher muss die Rauheit der Kupferoberfläche in der praktischen Fertigung kontrolliert werden und sollte so gering wie möglich sein, sofern die Haftung nicht beeinträchtigt wird. Besondere Aufmerksamkeit muss Signalen im Bereich von 10 GHz oder mehr gewidmet werden. Die Rauheit der Kupferfolie muss weniger als 1 μm betragen, und es ist besser, ultrafeine Kupferfolie mit einer Rauheit von 0,04 μm zu verwenden. Die Oberflächenrauheit der Kupferfolie muss mit einer geeigneten Oxidationsbehandlung und einem passenden Haftharzsystem kombiniert werden. In naher Zukunft wird es möglicherweise eine Art von Kupferfolie geben, die keinen von Harz umhüllten Rand aufweist und eine höhere Abziehfestigkeit bietet, ohne dass die dielektrischen Verluste beeinflusst werden.
Mit dem Entwicklungstrend hin zu Miniaturisierung und hoher Funktionalität neigen elektronische Geräte dazu, größere Wärmemengen zu erzeugen, sodass das Wärmemanagement elektronischer Geräte immer höhere Anforderungen stellt. Eine der Lösungen für dieses Problem liegt in der Forschung und Entwicklung wärmeleitender Leiterplatten (PCBs). Die grundlegende Voraussetzung für eine Leiterplatte mit guter Wärmebeständigkeit und Wärmeableitung ist die Wärmebeständigkeits- und Wärmeableitungsfähigkeit des Substrats. Die derzeitige Verbesserung der wärmeleitenden Eigenschaften von Leiterplatten beruht auf der Optimierung durch Harze und Füllstoffe, wirkt jedoch nur in begrenztem Umfang. Eine typische Methode ist der Einsatz von IMS- oder Metallkern-Leiterplatten, die die Funktion eines Heizelements übernehmen. Im Vergleich zu herkömmlichen Kühlkörpern und Lüftern bietet diese Methode Vorteile wie geringes Volumen und niedrige Kosten.
Aluminium ist ein äußerst attraktives Material mit den Vorteilen reichlich vorhandener Ressourcen, niedriger Kosten sowie hervorragender Wärmeleitfähigkeit und FestigkeitAußerdem ist es so umweltfreundlich, dass es bei den meisten Metallschichten oder Metallkernen eingesetzt wird. Aufgrund von Vorteilen wie Wirtschaftlichkeit, zuverlässiger elektrischer Verbindung, Wärmeleitfähigkeit und hoher Festigkeit, Lötfreiheit und Bleifreiheit wird die aluminiumbasierte Leiterplatte in Konsumgütern, Automobilen, Militärgütern und Luft- und Raumfahrtprodukten eingesetzt. An der Wärmebeständigkeit und den Wärmeableitungseigenschaften von Metallkernplatinen besteht kein Zweifel, und der entscheidende Punkt liegt in der Haftleistung zwischen der Metallplatte und der Leiterbahnebene.
In der modernen Elektronik führt die Miniaturisierung und Verflachung elektronischer Geräte zur notwendigen Einführung von starren Leiterplatten und Flex-/Starrleiterplatten. Welche Art von Substratmaterial ist dafür geeignet?
Die zunehmenden Anwendungsfelder starrer Leiterplatten und Flex-/Starrleiterplatten führen zu neuen Anforderungen hinsichtlich Anzahl und Leistung. Polyimidfolie beispielsweise lässt sich in mehrere Kategorien einteilen, darunter transparent, weiß, schwarz und gelb, mit hoher Hitzebeständigkeit und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, um in unterschiedlichen Situationen eingesetzt werden zu können. Ebenso wird das Mylar-Substrat mit hoher Kosteneffizienz aufgrund seiner Vorteile wie hoher Elastizität, Maßstabilität, Folienoberflächenqualität, photoelektrischer Kopplung und Umweltbeständigkeit vom Markt akzeptiert werden, um den wechselnden Anforderungen der Nutzer gerecht zu werden.
Ähnlich wie starre HDI-Leiterplatten muss auch die Flex-Leiterplatte den Anforderungen der Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-Signalübertragung gerecht werden; daher müssen die Dielektrizitätskonstante und der dielektrische Verlust des flexiblen Substratmaterials ebenfalls im Fokus stehen. Flexible Schaltungen können aus Polytetrafluorethylen und fortschrittlichen Polyimid-Substraten aufgebaut werden. Anorganischer Staub und Kohlefasern können dem Polyimidharz zugesetzt werden, um die Bildung eines dreilagigen, wärmeleitenden Flex-Substrats zu ermöglichen. Als anorganisches Füllmaterial können entweder Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid oder hexagonales Bornitrid verwendet werden. Diese Art von Substratmaterial zeichnet sich durch eine Wärmeleitfähigkeit von 1,51 W/mK aus und ist in der Lage, einer Spannung von 2,5 kV und einer Biegung von 180 Grad standzuhalten.
Flexible Leiterplatten (Flex-PCBs) werden hauptsächlich in intelligenten Mobiltelefonen, Wearables, medizinischen Geräten und der Robotik eingesetzt, was neue Anforderungen an die Struktur von Flex-PCBs mit sich bringt. Bis jetzt wurden einige neue Produkte mit Flex-PCBs entwickelt, wie z. B. ultradünne flexible Multilayer-Leiterplatten, deren Dicke von 0,4 mm auf 0,2 mm reduziert wurde. Hochgeschwindigkeits-Flex-PCBs können mit dem Einsatz von Polyimid-Substratmaterial mit niedrigem Dk und Df eine Übertragungsgeschwindigkeit von 5 Gbps erreichen. Flex-PCBs für hohe Leistungen verwenden Leiter mit einer Dicke von mehr als 100 μm, um die Anforderungen von Schaltungen mit hoher Leistung und großem Strom zu erfüllen. All diese speziellen Flex-PCBs erfordern naturgemäß unkonventionelle Substratmaterialien.
Dieser Artikel behandelt Richtlinien zur Auswahl von Substratmaterial für Ihre Leiterplatten aus einer wissenschaftlichen und fachlichen Perspektive. Wenn Sie sich bei Begriffen im Zusammenhang mit den Eigenschaften von Substratmaterialien unsicher sind, wie etwa Dielektrizitätskonstante (Dk), Verlustfaktor (Df), Oberflächenrauheit, thermische Zersetzungstemperatur, CTE usw., finden Sie hier eine kosteneffiziente Methode, um ein geeignetes Substratmaterial auszuwählen.
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