Leiterplattenmaterialien

Leitfaden zur Auswahl von Leiterplattenmaterialien

Die Leiterplatte (PCB) ist der wichtigste Bestandteil der Elektronik. Alternativ steht das Akronym auch für „Printed Wiring Boards“ und „Printed Wiring Cards“, die im Wesentlichen dasselbe bedeuten. Aufgrund der entscheidenden Rolle dieser Platinen in allem, von Computern bis hin zu Taschenrechnern, sollte die Auswahl des Materials für Leiterplatten mit Sorgfalt und unter Berücksichtigung der elektrischen Anforderungen des jeweiligen Geräts erfolgen.

Vor der Entwicklung der Leiterplatte (PCB) waren die Materialien von Schaltkreisen meist von einem Wirrwarr aus verschlungenen, sich überlappenden Drähten bedeckt, die an bestimmten Stellen leicht ausfallen konnten. Sie konnten auch einen Kurzschluss verursachen, sobald das Alter einsetzte und bestimmte Drähte zu reißen begannen. Wie zu erwarten war, war der manuelle Prozess, der in die Verdrahtung dieser frühen Platinen einfloss, verwirrend und mühsam.

Als eine zunehmende Vielzahl alltäglicher elektronischer Bauteile auf Leiterplatten angewiesen war, begann das Rennen um die Entwicklung einfacherer und kompakterer Alternativen, was zur Entwicklung des Materials PCB führte. Mit PCB-Materialien können Schaltungen zwischen einer Vielzahl verschiedener Komponenten geführt werden. Das Metall, das den Stromfluss zwischen der Platine und den angeschlossenen Komponenten ermöglicht, ist als Lötzinn bekannt, das dank seiner Klebeeigenschaften auch eine doppelte Funktion erfüllt.

PCB-Materialzusammensetzung

Eine Leiterplatte (PCB) besteht in der Regel aus vier Schichten, die durch Hitze zu einer einzigen Schicht laminiert werden.Die verschiedenen Arten von PCB-Materialien, die in Leiterplatten von oben nach unten verwendet werden, umfassen Siebdruck, Lötstoppmaske, Kupfer und Substrat..

Die letzte dieser Schichten, das Substrat, besteht aus Glasfaser undist auch als FR4 bekannt, wobei die Buchstaben FR für „flammenhemmend“ stehen. Diese Substratschicht bietet eine solide Grundlage für Leiterplatten, obwohl die Dicke je nach Verwendungszweck der jeweiligen Platine variieren kann.

Es gibt auch eine günstigere Auswahl an Leiterplatten auf dem Markt, die nicht die oben genannten Leiterplatten-Substratmaterialien verwenden, sondern stattdessen 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 an dem Geruch zu erkennen, den sie beim Löten abgeben.

Die zweite Schicht der Leiterplatte ist Kupfer, das mit einer Mischung aus Hitze und Klebstoff auf das Substrat laminiert wird. Die Kupferschicht ist dünn, und auf einigen Platinen gibt es zwei solche Schichten – eine oberhalb und eine unterhalb des Substrats. Leiterplatten mit nur einer Kupferschicht werden meist für günstigere elektronische Geräte verwendet.

Die massenhaft verwendetekupferkaschiertes Laminat(CCL) kann nach verschiedenen Klassifizierungsstandards in unterschiedliche Kategorien eingeteilt werden, einschließlich Verstärkungsmaterial, verwendetem Harzklebstoff, Entflammbarkeit und CCL-Leistung. Die kurze Klassifizierung von CCL ist in der folgenden Tabelle dargestellt.

Über der grünen Lötstoppmaske befindet sich die Siebdruckschicht, die Buchstaben und Zahlenkennzeichnungen hinzufügt, damit eine Leiterplatte für Techniker lesbar ist. Dies erleichtert es Elektronikmontierern, jede Leiterplatte an der richtigen Stelle und in der richtigen Ausrichtung auf jedem Bauteil zu platzieren. Die Siebdruckschicht ist normalerweise weiß, aber auch Farben wie Rot, Gelb, Grau und Schwarz werden manchmal verwendet.

Technische Begriffe für Leiterplattenlagen

Außer zu wissen, wiePCB ist geschichtet, Sie sollten die technischen Begriffe 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 eine Praxis, bei der das Design einer Leiterplatte auf seine Funktionalität überprüft wird. Zu den überprüften Details gehören die Breite der Leiterbahnen und die Bohrlöcher.

• Bohrtreffer. Wird verwendet, um alle Löcher auf einer Leiterplatte zu beschreiben, egal ob korrekt oder falsch platziert. In einigen Fällen kann ein Loch leicht fehlerhaft sein, wenn während der Produktion stumpfes Bohrwerkzeug verwendet wurde.
• Finger. Metall, das entlang der Leiterplattenkante freiliegt und als Verbindungspunkte zwischen zwei Leiterplatten dient. Kontakte (Fingers) findet man am häufigsten bei alten Videospielen und Speicherkarten.
• Mausstücke. Ein Leiterplattenabschnitt, der so stark gebohrt wurde, dass die strukturelle Integrität der Platine gefährdet ist.
• PadEin Bereich freiliegenden Metalls auf einer Leiterplatte, auf den üblicherweise ein verlötetes Bauteil aufgebracht wird.
• Panel.Eine große Leiterplatte, die aus kleineren Platinen besteht, die schließlich für die individuelle Nutzung getrennt werden.
• Schablone einfügen. Eine Metallschablone auf einer Leiterplatte, auf die Paste zum Löten aufgetragen wird.
• FlugzeugEin größerer Bereich freiliegenden Kupfers auf einer Leiterplatte, der durch Begrenzungen markiert ist, aber keinen Leiterzug aufweist.
• Durchkontaktierte BohrungEin Loch, das gerade durch eine Leiterplatte verläuft, in der Regel zum Anschluss eines weiteren Bauteils. Das Loch ist metallisiert und verfügt normalerweise über einen Ringförmigen Kragen.
• Steckplatz. Jedes Loch, das nicht rund ist. Leiterplatten mit Schlitzen sind oft teuer, da die Herstellung von ungewöhnlich geformten Löchern auf einer Leiterplatte mit hohen Produktionskosten verbunden ist. Schlitze sind in der Regel nicht metallisiert.
• Oberflächenmontage. Ein Verfahren, bei dem externe Bauteile direkt auf der Leiterplatte ohne Durchkontaktierungen montiert werden.
• Spur. Eine durchgehende Kupferbahn auf einer Leiterplatte.
• V-Score. Ein Bereich, in dem die Leiterplatte teilweise eingeschnitten wurde. Dies kann dazu führen, dass eine Leiterplatte leicht bricht.
• Über. Ein Loch, durch das Signale zwischen den Schichten übertragen werden. Abgedeckte Versionen sind mit einem schützenden Lötstopplack versehen, während offene Vias für den Anschluss von Steckverbindern verwendet werden.

Die Zahl, die einer Lage vorangestellt ist, bezieht sich auf die genaue Anzahl der leitenden Lagen, sei es eine Routing- oder eine Planlage – die beiden Lagentypen. Lagen haben in der Regel die Zahl 1 oder eine der nächsten vier geraden Zahlen: 2, 4, 6, 8. Leiterplatten mit ungeraden Lagenzahlen kommen manchmal vor, sind jedoch selten und machen kaum einen Unterschied. Zum Beispiel wäre das Basismaterial der Leiterplatte bei einer 5-Lagen- oder 6-Lagen-Platine praktisch identisch.

Die beiden Lagenarten haben unterschiedliche Funktionen. Routing-Lagen verfügen über Leiterbahnen. Versorgungslagen dienen als Stromversorgungsanschlüsse und enthalten Kupferflächen. Versorgungslagen enthalten außerdem Inseln, die den Signalzweck einer Leiterplatte bestimmen, sei es 3,3 V oder 5 V.

FR4 ist der Codename für glasfaserverstärkte Epoxidharz-Laminatplatten. Aufgrund seiner Festigkeit sowie seiner Fähigkeit, Feuchtigkeit und Feuer zu widerstehen, ist FR4 eines der beliebtesten Materialien unter allen PCB-Materialtypen.

Zusätzliche Leiterplatten-Designüberlegungen

Eine Angabe wie 1,6 mm wird verwendet, um die Dicke einer Leiterplatte anzugeben. Bei 4-lagigen Leiterplatten ist 1,6 mm das Standardmaß. Leiterplatten mit größerer Dicke bieten beispielsweise mehr Stabilität, wenn schwere Verbindungselemente getragen werden müssen.

Die Standardkupferdicke auf den Lagen beträgt 35 Mikrometer. Alternativ wird die Kupferdicke manchmal in Unzen oder Gramm angegeben. Es ist am besten, eine höhere als die normale Kupferdicke für Leiterplatten zu wählen, die viele Anwendungen unterstützen.

Gleise sind nicht dafür vorgesehen, Energie zu übertragen, aber dies kann manchmal passieren, wenn Signale die Frequenzen nicht richtig verarbeiten. Wenn das Problem nicht unter Kontrolle gehalten wird, könnten die Gleise erhebliche Energiemengen verlieren. Um so viel Energie wie möglich von einer Seite des Gleises auf die andere zu übertragen, muss das Layout des Gleises die Übertragungsgleichungen berücksichtigen.

Im Allgemeinen beträgt der richtige Leiterbahnabstand auf Lagen aus kupferbeschichtetem FR4-Leiterplattenmaterial zwei Zoll, vorausgesetzt, die Signallaufzeit beträgt eine Nanosekunde. Allerdings müssen Sie bei großen Leiterbahnlängen die Auswirkungen der Übertragungsleitung berücksichtigen, insbesondere wenn die Signalintegrität entscheidend ist. Im Internet gibt es zahlreiche Programme und Tabellenkalkulationen, die entwickelt wurden, um Menschen bei der korrekten Impedanzberechnung für spezifische Leiterplattenlagen zu unterstützen.

Auf den meisten Leiterplatten sind Vias hohl, und man kann normalerweise direkt hindurchsehen. Dennoch gibt es verschiedene Umstände, unter denen Vias gefüllt werden können. Zum einen ist es notwendig, die Vias zu füllen, wenn es darum geht, Schutzbarrieren gegen Staub und andere Verunreinigungen zu bilden. Zweitens können Vias gefüllt werden, um die Stromtragfähigkeit zu erhöhen; in diesem Fall könnten leitende Materialien verwendet werden. Ein weiterer Grund, warum Vias gefüllt werden, ist das Nivellieren einer Leiterplatte.

Vias werden typischerweise mit Ball Grid Array (BGA)-Elementen gefüllt. Wenn ein Kontakt zwischen einem BGA-Pin und einer inneren Schicht besteht, könnte Lötzinn durch das Via auf eine andere Schicht gelangen. Daher werden die Vias gefüllt, um sicherzustellen, dass kein Lötzinn auf eine andere Schicht austritt und die Integrität der Kontakte wie vorgesehen erhalten bleibt.

Eines der lästigeren Probleme auf einer Leiterplatte ist, wenn ein Kontakt an einer bestimmten Stelle der Platte immer wieder unterbrochen wird. Je häufiger dies geschieht, desto eher wird dieser Teil der Platte vollständig ausfallen. Der durchschnittliche Heimanwender von Elektronikgeräten wird dieses Problem bemerken, wenn eine der Tasten eines Taschenrechners nicht mehr funktioniert. Jede Taste drückt auf einen bestimmten Bereich der Leiterplatte, und wenn eine Stelle defekt ist, kann die entsprechende Taste ihr Signal nicht mehr senden.

Eine weitere Möglichkeit, wie Kontakte an bestimmten Stellen abgenutzt werden können, besteht darin, dass ein sekundärer Kartensteckplatz auf ein Motherboard gesetzt wird. Wenn die Karte unsachgemäß gehandhabt wird, kann eine der Stellen entlang der Karte beschädigt werden und von da an nicht mehr funktionieren. Die beste Möglichkeit, die Oberflächen der Platinen, die miteinander in Kontakt kommen, zu schützen, ist die Verwendung einer Goldschicht, die als lebensverlängernde Barriere dient. Gold kann jedoch teuer sein, und seine Verwendung an den Kontakten fügt dem Prozess der Leiterplattenherstellung einen weiteren Schritt hinzu.

PCB-Lötstoppmaske

Die Farbe, mit der die meisten Menschen bei Mainboards vertraut sind, ist Grün,die Farbe der LötstoppmaskeObwohl es bei weitem nicht so häufig ist, erscheint Lötstoppmaske manchmal auch in anderen Farben, wie Rot oder Blau. Lötstoppmaske ist auch unter dem Akronym LPISM bekannt, was für „liquid photo imageable soldermask“ (flüssige, lichtempfindliche Lötstoppmaske) 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 geworden. Nach den meisten Berichten bevorzugen Benutzer jedoch im Allgemeinen Platinen mit Lötstoppmaske gegenüber solchen ohne.

Nachdem der Lötstopplack auf die Leiterplatte aufgetragen wurde, wird die Leiterplatte geschmolzenem Lot ausgesetzt. Während dieses Prozesses werden freiliegende Kupferflächen verzinnt. Der gesamte Prozess ist als Heißluftverzinnung (HASL) bekannt. Während SMD-Chips gelötet werden, wird die Platine so weit erhitzt, dass das Lot eine geschmolzene Form annimmt und die Bauteile an ihren richtigen Platz gebracht werden. Während das Lot abkühlt, werden die Bauteile ebenfalls verlötet. HASL enthält in der Regel Blei als eine der Komponenten im Lot, obwohl auch bleifreie Optionen existieren.

Der Abstand der Leiterbahnbreite wird durch einen Bindestrich angegeben. Wenn Sie beispielsweise die Angabe 6/6 mils sehen, bedeutet dies, dass 6 mils sowohl die minimale Leiterbahnbreite als auch der minimale Leiterbahnabstand sind. Daher sollten alle Abstände auf der betreffenden Platine mindestens 6 mils betragen oder diesen Wert überschreiten. Für diejenigen, die damit nicht vertraut sind: Die Einheit "mils" wird verwendet, um Abstände auf Leiterplattenmaterialien zu bestimmen. Breite und Abstand sind besonders wichtig bei Platinen, die für hohe Stromstärken ausgelegt sind.

Wenn eine Leiterplatte mehrlagig ist, können verschiedene Leiterbahnen nicht visuell auf ihre Zugänglichkeit überprüft werden. Daher wird ein Test durchgeführt, bei dem Sonden an den Enden der Leiterbahnen platziert werden, um zu überprüfen, ob alle Signale erreichbar sind. Der Test wird durchgeführt, indem an einem Ende Spannung angelegt wird. Wenn diese Spannungen auf der anderen Seite erkannt werden, gelten die Leiterbahnen als funktionsfähig. Während der Test bei Platinen mit nur einer oder zwei Lagen nicht immer notwendig ist, wird er dennoch empfohlen, wenn Ihnen die Qualität wirklich am Herzen liegt.

Vias, die innere und äußere Lagen verbinden, werden als Blind Vias bezeichnet. Der Name ergibt sich daraus, dass solche Vias nur von einer Seite sichtbar sind. Vias, die zwei oder mehr innere Lagen verbinden, werden als Buried Vias bezeichnet, die von außen auf keiner Seite sichtbar sind. Bei Leiterplatten, die Blind und Buried Vias enthalten, wird häufig das Via-Füllen verwendet. Dies macht die Außenfläche sicherer und hilft, die Möglichkeit zu verringern, dass Lötzinn durchdringt und in die inneren Vias eindringt.

Materialauswahl beeinflusst die Kosten

Leiterplatten (PCBs) sind in der Regel teurer, wenn sie Merkmale wie Goldkontakte, blinde oder vergrabene Durchkontaktierungen oder ausgefüllte Vias enthalten. Ebenso neigen Leiterplatten mit Leiterbahn-/Abstandsbreiten unter 6 mil dazu, mehr zu kosten. Der Grund für diese höheren Preise liegt im alternativen Herstellungsprozess, der bei der Produktion ungewöhnlicher Leiterplatten zum Einsatz kommt. Aus demselben GrundLeiterplattenproduktionsich als bei weitem nicht so profitabel oder erfolgreich erweisen, wenn niedrige Mils oder innere Vias vorhanden sind, und der höhere Preis wird festgesetzt, um Verluste auszugleichen. Es gibt Hersteller, die Leiterplatten mit Leiterbahnbreiten/-abständen von nur 3 Mil produzieren, aber dies wird im Allgemeinen nicht empfohlen, es sei denn, es ist Ihre einzige Option für eine bestimmte Komponente.

Einfluss von Leistung und Wärme auf die Auswahl von Leiterplattenmaterialien

Von all den Faktoren, die Leiterplatten beeinflussen, sind zwei der intensivsten Strom und Wärme. Daher ist es entscheidend, die Schwellenwerte für beide zu bestimmen, was durch die Bewertung der Wärmeleitfähigkeit einer Leiterplatte erfolgen kann. Diese definiert, wie elektrische Leistung (Watt) über die Länge des Materials in Temperatur umgewandelt wird. Allerdings gibt es keine branchenweit festgelegten Werte für die Wärmeleitfähigkeit.

Zum Beispiel führt die Rogers Corp. ein Leiterplattenmaterial, RT/duroid 5880, das häufig in der elektronischen Kriegsführung und Kommunikation eingesetzt wird. Die Dielektrizitätskonstante dieses Materials ist niedrig, da es sich um ein Verbundmaterial handelt, das mikro-faserige Glaselemente enthält. Diese Mikrofasern sollen die Festigkeit der Faser im Material erhöhen.

Obwohl die Leiterplatte ideal für Anwendungen mit hohen Frequenzen ist, führt die geringe Wärmeleitfähigkeit des Materials dazu, dass sie sich leicht erhitzt, was in wärmeintensiven Anwendungen ein großer Nachteil sein kann.

PCB-Materialien und industrielle Anwendungen

Für Anwendungen im Militär sowie in der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und der Medizinindustrie werden Leiterplatten sowohl in einseitigen als auch in doppelseitigen Ausführungen hergestellt, von denen einige mit Kupfer beschichtet sind und andere Aluminium verwenden. In jeder dieser Branchen wird das Material für maximale Leistung in bestimmten Bereichen eingesetzt. Daher werden PCB-Kernmaterialien in bestimmten Industrien aufgrund ihres geringen Gewichts oder in anderen wegen ihrer Fähigkeit, hohe Energiemengen zu bewältigen, ausgewählt. Wenn also die Leistungsanforderungen berücksichtigt werden, ist es entscheidend zu bestimmen, welche Funktionen bei der Auswahl der PCB-Rohmaterialien miteinander verglichen werden müssen, da das Materialniveau mit dem Leistungsniveau korreliert.

Flex- und Starrflex-Leiterplatten

In den letzten Jahren haben Flex undStarrflex-Leiterplattenhaben an Beliebtheit gewonnen, weil sie vielfältige Einsatzmöglichkeiten bieten. Im Grunde können sie gebogen, gefaltet und sogar um Objekte gewickelt werden, sodass Anwendungen möglich sind, die mit flachen Leiterplatten niemals realisierbar wären. Zum Beispiel könnte eine flexible Leiterplatte in einem Gerät verwendet werden, das erfordert, dass die Platine in einem Winkel gefaltet wird und dennoch Strom von einem Ende zum anderen leitet, ohne dass Verbindungspaneele benötigt werden.

Die Mehrheit der auf dem Markt erhältlichen Flexplatinen besteht aus Kapton, einer von der DuPont Corporation entwickelten Polyimidfolie. Diese Folie zeichnet sich durch Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit, Maßhaltigkeit und eine Dielektrizitätskonstante von nur 3,6 aus.

Kapton ist in drei Pyralux-Versionen erhältlich:
• Flammschutzmittel (FR)
• Nicht flammhemmend (NFR)
• Klebstofffrei / Hochleistung (AP)

Auswahl von Leiterplattenmaterialien – Qualität an erster Stelle

Wenn es um die Auswahl von Leiterplattenmaterialien geht, ist Qualität von größter Bedeutung beim Bau jeder Art von Platine, egal ob sie für Heimelektronik oder Industrieausrüstung bestimmt ist. Eine Komponente, die eine Leiterplatte enthält, kann groß oder klein, billig oder teuer sein, aber am wichtigsten ist, dass der betreffende Artikel während seiner gesamten erwarteten Lebensdauer eine überlegene Leistung bietet.

Während es verschiedene Arten von Leiterplattenmaterialien gibt, die in eine bestimmte Platine eingebaut werden, ist die Produktzuverlässigkeit letztlich das, wonach Verbraucher und Unternehmen bei Produkten mit Leiterplatten suchen. Natürlich ist es auch entscheidend, dass die Materialien der Leiterplatte stark genug sind, um zusammenzuhalten, selbst wenn eine Komponente versehentlich fallen gelassen oder seitlich angestoßen wird.

Bei computergestützten Geräten beispielsweise sorgen langlebige Leiterplatten (PCBs) dafür, dass Hardware-Updates vorgenommen werden können, ohne das bereits vorhandene Leiterplattenmaterial zu beschädigen. Dasselbe gilt für elektronische Geräte, Mikrowellen und andere Haushaltsgeräte, die auf PCB-Technologie angewiesen sind, um funktionsfähig zu bleiben. Selbst bei elektronischen öffentlichen Einrichtungen wie Geldautomaten müssen Leiterplatten einwandfrei funktionieren, damit Tasten reagieren und Befehle ohne Verzögerung verstanden werden.

PCBCart bietet ein vollständiges Spektrum an Leiterplattenfertigungs- und Bestückungsdienstleistungen. Dank unserer über 20-jährigen Erfahrung und innovativen Technologien sind wir in der Lage, mit verschiedenen Laminat- und Substratmaterialien umzugehen, einschließlich FR4, Rogers usw., die am beliebtesten und am weitesten verbreitet sind.Unsere Dienstleistungen wurden von Ingenieuren aus verschiedenen Industriezweigen genutzt, die jeweils einzigartige Ziele in Bezug auf den Betrieb und die Funktionalität von Komponenten mit Leiterplatten (PCB) verfolgen.

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