Woraus bestehen Leiterplatten? Ein Leitfaden für Leiterplattenhersteller zu Leiterplattenmaterialien

Wenn man die meisten Ingenieure fragt, woraus eine Leiterplatte besteht, bekommt man nur ein einziges Wort zurück: Glasfaser. Diese Antwort ist richtig, deckt jedoch nur die erste Ebene einer längeren Geschichte ab. Eine Leiterplatte ist ein sorgfältig konstruierter Stapel von Materialien, und jedes einzelne davon muss sich seinen Platz verdienen. Das Substrat gibt der Platine ihren Körper und ihre elektrische Isolierung, das Kupfer leitet den Strom, der Lötstopplack schützt die Oberfläche und die Endbearbeitung hält das Kupfer jahrelang lötbar.

Seit 2013 fertigen wir in unserem Werk in Guangde Platten, von einfachen einseitigen Platten bis hin zu 32-lagigen Stapeln, daher neigen wir dazu, diese Frage so zu beantworten, wie es ein Hersteller tut. Die eigentliche Frage ist nicht, woraus eine Leiterplatte im Allgemeinen besteht, sondern welche Materialkombination die Umgebung Ihres Produkts während seiner erwarteten Lebensdauer übersteht.

Die Kernbestandteile einer Leiterplatte

Wenn man den Fachjargon weglässt, besteht fast jedes Board aus derselben kurzen Materialliste:

• Substrat: die isolierende Basis, normalerweise gewebtes Glasfasergewebe, das mit Epoxidharz verbunden ist.
• Kupferfolie: auf das Substrat laminiert und in Leiterbahnen, Pads und Flächen geätzt.
• Beschichtung: Kupfer und manchmal Zinn oder Gold werden in Bohrlöchern abgeschieden, um die Schichten zu verbinden.
• Lötstopplack: die farbige Beschichtung, die alles außer den Lötpads bedeckt, die Sie löten müssen.
• Siebdruck: die gedruckte Legende, die Komponenten und Referenzbezeichnungen identifiziert.
• Oberflächenveredelung: eine dünne metallische oder organische Schicht, die die Oxidation von freiliegendem Kupfer verhindert.

Jedes dieser Materialien kann ausgetauscht, aufgewertet oder verdickt werden, und jeder Ersatz verändert gleichzeitig die Kosten, die Herstellbarkeit und die Zuverlässigkeit im Einsatz.

Das Substrat: Glasgewebe, Harz und die Alternativen

Standard FR-4 beginnt mit gewebtem Glasgewebe. Das Tuch wird mit Epoxidharz imprägniert und teilweise zu einer Platte namens Prepreg ausgehärtet, dann gestapelt und unter Hitze und Druck gepresst, bis das Harz fließt und aushärtet. Das Ergebnis ist steif, formstabil und ein hervorragender Isolator: Das Glas sorgt für die mechanische Festigkeit, während das Harz das elektrische und thermische Verhalten bestimmt.

Von diesem Ausgangspunkt aus verzweigt sich die Familie schnell:

• FR-4 in Standard-, Hoch-Tg- und halogenfreien Qualitäten, das Arbeitspferd der Branche.
• CEM-1 und CEM-3, Verbundepoxidharze mit einem Glasvlieskern für kostensensible Produkte.
• FR-1 und FR-2, Laminate auf Papierbasis, die in sehr kostengünstigen einseitigen Platten verwendet werden.
• Polyimidfolie, die flexible Basis für FPC- und Starrflex-Designs, die sich biegen müssen.
• PTFE- und mit Keramik gefüllte Kohlenwasserstofflaminate werden verwendet, wenn der Signalverlust bei Gigahertz-Frequenzen gering bleiben muss.

Die meisten wichtigen Kompromisse liegen im Harzsystem und nicht im Kupfer. Glasübergangstemperatur, Zersetzungstemperatur, Dielektrizitätskonstante und Feuchtigkeitsaufnahme hängen alle von der Laminatchemie ab.

Doppelseitige OSP-Leiterplatte FR4-Leiterplatten nutzen ein Epoxidharz-Glasfasersubstrat und bieten hervorragende mechanische Festigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und elektrische Isolationseigenschaften. Sie sind... Produkt anzeigen →

Eine doppelseitige FR-4-Platine mit einer OSP-Oberfläche ist das alltägliche Beispiel: Standardlaminat, Standarddicke und eine Oberfläche, die sich ohne zusätzliche Kosten für Reflow-Löten in großen Mengen eignet.

Kupfer: Der Teil, der den Strom trägt

Kupfer ist der zweite wesentliche Inhaltsstoff. Folie wird nach Gewicht angegeben, und es lohnt sich, sich die Umrechnung zu merken: Eine Unze Kupfer, verteilt auf einen Quadratfuß, ist etwa 35 Mikrometer dick. Digitale Fine-Pitch-Designs werden normalerweise auf Folie mit einer Stärke von einer halben oder einer Unze ausgeführt, Stromversorgungsplatinen wiegen bis zu zwei Unzen und Arbeiten mit schwerem Kupfer belaufen sich auf drei Unzen und mehr.

Kupfer kommt an mehr Stellen als den sichtbaren Spuren vor. Während der Herstellung wird in jedes Bohrloch zusätzliches Kupfer galvanisiert, um eine durchgehende Zylinderwand zu bilden, und die äußeren Schichten werden vor dem Ätzen mit einem Muster versehen. Die Qualität dieser Beschichtung und nicht nur ihre Dicke entscheidet darüber, ob eine Durchkontaktierung wiederholte Temperaturwechsel übersteht.

Wenn die aktuellen Anforderungen steigen, lautet die Antwort oft mehr Kupfer statt mehr Platinenfläche. Konstruktionen aus schwerem Kupfer verteilen die Last auf die inneren Schichten, wodurch der Temperaturanstieg ohne externen Kühlkörper unter Kontrolle bleibt.

14-lagiges Kupfer Dickkupfer-Leiterplatten verwenden ultradicke Kupferfolie im Bereich von 3 Unzen bis 20 Unzen und zeichnen sich durch eine außergewöhnliche Strombelastbarkeit (über 100 A) und Hochtemperaturbeständigkeit aus ... Produkt anzeigen →

Wenn Glasfaser die falsche Wahl ist

FR-4 beantwortet die meisten Fragen, aber drei Materialfamilien übernehmen, wenn dies nicht möglich ist.

Platinen mit Metallkern und Kupferkern

Aluminium wird als Unterlage verwendet, wenn Hitze schnell von der Platine abgeführt werden muss. Eine dünne dielektrische Schicht wird auf das Aluminium geklebt, darauf sind Kupferschaltkreise geätzt und die Metallrückseite fungiert als Wärmeverteiler. Kupferkernversionen gehen noch einen Schritt weiter und ermöglichen sehr hohe Stromdichten bei LED-Beleuchtung, Motorantrieben und Stromumwandlung. So dünn diese dielektrische Schicht auch ist, sie muss dennoch der vollen Arbeitsspannung standhalten, daher sind ihre Dicke und Wärmeleitfähigkeit die beiden Zahlen, die es wert sind, zuerst überprüft zu werden.

Einseitige Aluminiumplatine Metallsubstrate verwenden Aluminium, Kupfer und andere Metalle als wärmeleitende Kernschicht. Ein spezielles isolierendes Dielektrikum sorgt für eine hervorragende Wärmeableitung... Produkt anzeigen →

Keramiksubstrate

Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid bieten eine Wärmeleitfähigkeit, die kein Polymerlaminat erreichen kann, sowie einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem von Silizium nahe kommt. Sie kommen in Hochleistungs-LED-Modulen, HF-Leistungsstufen und Sensoren vor, die auch bei großen Temperaturschwankungen funktionsfähig bleiben müssen.

Flexible Filme

Polyimid ersetzt Glasgewebe, wenn sich die Platine biegen muss. Es gelten die gleichen Kupfer- und Finish-Regeln, lediglich der Sockel ändert sich und damit auch die Handhabungsregeln bei der Montage.

Lötmaske, Siebdruck und Oberflächenveredelung

Bei der Lötstoppmaske handelt es sich um eine Beschichtung auf Epoxidbasis, die auf die Platine aufgetragen und anschließend ausgehärtet wird. Es verhindert die Bildung von Lötbrücken zwischen den Pads, schützt das darunter liegende Kupfer vor Feuchtigkeit und Verunreinigungen und verleiht der Platine ihre vertraute Farbe. Grün ist traditionell, weil es die längste Erfolgsgeschichte in der Bildgebung und Inspektion vorzuweisen hat, doch Schwarz, Blau, Rot und Mattschwarz sind heute Routine. Siebdrucktinte wird auf die Oberseite der Maske gedruckt, um Komponentenreferenzen und Polarität zu kennzeichnen. Obwohl sie keinen Strom führt, ist sie das Erste, worauf sich ein Montagearbeiter verlässt.

Die Oberflächenbeschaffenheit ist die letzte Materialentscheidung und eine der folgenreichsten. Heißluft-Lötnivellierung ist die kostengünstige Option, OSP ist organisch und verblasst nach ein paar Reflow-Lötvorgängen, und ENIG oder Immersionssilber sorgt für eine ebene Oberfläche für Fine-Pitch-Teile. Wenn eine Platine wiederholt eingesetzt und entfernt wird, ist Hartgold die Lösung. Alle unsere Oberflächen sind in bleifreien Versionen erhältlich.

Leiterplattenmaterialien auf einen Blick

Die folgende Tabelle fasst die Materialsysteme zusammen, die wir am häufigsten bauen, und woraus jedes einzelne besteht.

Wie die Anwendung das Material auswählt

Die Materialauswahl ist selten eine freie Wahl. Es richtet sich nach der Umgebung, in der das Board leben wird.

Verbraucher- und Haushaltsgeräteprodukte

Wo die Kosten dominieren, reicht in der Regel Standard-FR-4 oder CEM-3 mit HASL- oder OSP-Oberfläche aus.

Automobil- und Industriesteuerung

Vibrationen, thermische Zyklen und eine lange Lebensdauer treiben Designs in Richtung von Laminaten mit hoher Tg, dickerem Kupfer und Oberflächen wie ENIG, die wiederholtes Aufschmelzen überstehen.

Leistungs- und Hochfrequenzdesigns

Wärmemanagement und Signalintegrität haben Priorität, was Metallkern-, Keramik- oder PTFE-basierte Materialien anstelle einer dickeren Glasplatine bedeutet.

Wenn Sie sich nicht sicher sind, wo Ihr Produkt steht, ist es hilfreich zu sehen, wie ähnliche Boards bereits gebaut werden. Sie können stöbern welche Anwendungsbereiche wir unterstützen um die bereits bewährten Materialkombinationen in jedem Segment zu sehen.

Praktische Hinweise aus der Werkstatt

Ein paar Dinge, die wir Kunden sagen, die sich zum ersten Mal für Materialien entscheiden:

1. Wählen Sie das Finish aus, bevor das Layout eingefroren wird, da die Pad-Geometrie und die Durchkontaktierung davon abhängen.
2. Passen Sie das Kupfergewicht an den Strom an, nicht an die Gewohnheit, da übergroßes Kupfer die Ätzschwierigkeit und die Kosten erhöht.
3. Erkundigen Sie sich frühzeitig nach dem Tg-Wert, denn ein Laminat mit hohem Tg-Wert kostet etwas mehr und verhindert eine ganze Reihe von Feldausfällen.
4. Bestätigen Sie die Stapelzeichnung vor der Freigabe, da die meisten Verzögerungen mit einer fehlenden oder mehrdeutigen Schicht beginnen.

Wenn Sie einen tieferen Einblick in das Zusammenspiel von Laminatauswahl, Kupfergewicht und Finish erhalten möchten, lesen Sie unseren Leitfaden Auswahl von FR-4-, RF- und Metallkernmaterialien geht die Vergleiche detaillierter durch.

Woraus bestehen Leiterplatten? Glasgewebe und Epoxidharz, Kupferfolie und beschichtete Fässer, eine Lötmaske, eine gedruckte Legende und ein Endfinish, das alles lötbar hält. Das Interessante daran ist nicht die Liste selbst, sondern die Art und Weise, wie diese Materialien auf den Job abgestimmt sind. Wenn die Übereinstimmung stimmt, verrichtet der Vorstand ein Jahrzehnt oder länger in aller Stille seine Arbeit.