Basismaterialien für Leiterplatten von FR-4 bis Rogers und Flex

Das Basismaterial einer Leiterplatte ist die isolierende Schicht (das Dielektrikum), die das Kupfer hält. Es entscheidet, wie viel Hitze die Platine übersteht, wie schnell Signale daran entlanglaufen, wie gut es Wärme wegführt und ob es sich biegt. Die meisten Platinen verwenden dasselbe Material; Sie brauchen nur aus einem Grund ein anderes.

Was ein Laminat ist

Eine starre Platine beginnt als Laminat: eine Platte isolierenden Materials mit Kupferfolie, die an einer oder beiden Seiten gebunden ist. Der Isolator ist meist gewebte Glasfaser, getränkt in Harz und ausgehärtet. Lagen einer mehrlagigen Platine werden durch Prepreg zusammengehalten, Glasgewebe mit teilausgehärtetem Harz, das während der Laminierung schmilzt und bindet. Drei Zahlen beschreiben ein Laminat für die meisten Zwecke:

1. Kupferfolie, an die Fläche gebunden.
2. Harz: das ausgehärtete Epoxid, das alles zusammenhält und isoliert.
3. Glasgewebe: die Ovale sind quer geschnittene Faserbündel, der wellige Strang läuft längs. Es gibt Festigkeit und eine gleichmäßige Dicke.
4. Kupfer auf der anderen Fläche. Ein Kern hat Folie auf beiden Seiten, und das Kupfermuster wird später daraus geätzt.

• Tg (Glasübergangstemperatur). Die Temperatur, bei der das Harz von starr zu weich übergeht. Über Tg dehnt sich die Platine viel schneller aus und belastet Bohrungen und Beschichtung.
• Dk (Dielektrizitätszahl) und Df (Verlustfaktor). Wie stark das Material elektrische Signale beeinflusst und wie viel Signalenergie es aufnimmt. Sie zählen bei hohen Frequenzen und für Impedanzkontrolle.
• Wärmeleitfähigkeit. Wie gut Wärme durch das Dielektrikum fließt.

FR-4

FR-4 ist der gängige Name für glasverstärktes Epoxid-Laminat mit einem flammhemmenden Zusatz. Es ist günstig, stark, leicht zu verarbeiten und gut genug für die meiste Elektronik. Sein Dk liegt typischerweise bei etwa 4 bis 4,6, je nach Harzgehalt und Frequenz, und variiert von Charge zu Charge und zwischen Herstellern, sodass ein Entwerfer, der einen genauen Wert braucht, ihn aus dem Lagenaufbau erfragt.

FR-4 gibt es in Graden, hauptsächlich nach Tg:

Bleifreies Lot schmilzt bei höherer Temperatur als Zinn-Blei-Lot, und die Platine geht bei der höheren Temperatur durch den Ofen, manchmal zweimal. Platinen mit vielen Lagen, dicke Platinen und Platinen, die nachgearbeitet werden, profitieren von einer höheren Tg. Eine verwandte Zahl, Td (Zersetzungstemperatur), sagt, wann das Harz beginnt, Masse zu verlieren, und ist ein weiterer Grund, für harten Betrieb einen besseren Grad zu wählen.

Über seiner Tg erweicht das Harz und die Platine dehnt sich viel schneller aus. Die Zeichnung vergleicht zwei Grade.

1. Die Tg eines niedrigeren Grades: über dieser Temperatur wächst die Platine viel schneller.
2. Die Tg eines höheren Grades: die Platine bleibt bis zu einer höheren Temperatur starr.

Andere FR-4-Varianten werden verkauft: halogenfreie Versionen für Märkte, die sie verlangen, und Grade mit besserer Beständigkeit gegen leitende anodische Filamente (ein langsamer Ausfall in der Platine). Bitten Sie um sie, wenn Ihr Produkt sie braucht.

Metallkern-Platinen (Aluminium und Kupfer)

Eine Metallkern-Platine bindet eine dünne Kupfer-Schaltungsschicht durch eine dünne isolierende Schicht an eine Metallbasis, meist Aluminium und manchmal Kupfer. Der Punkt ist Wärme: die isolierende Schicht ist so gemacht, dass sie Wärme weit besser leitet als FR-4, und das Metall verteilt sie. Typische Nutzer sind LED-Beleuchtung und Leistungsumwandlung.

Wissenswertes:

• Die meisten sind einseitig; doppelseitige und mehrlagige Versionen existieren und kosten mehr.
• Die Wärmeleitfähigkeit der dielektrischen Schicht variiert stark zwischen Graden, sodass die Zahl auf dem Datenblatt es wert ist, erfragt zu werden.
• Aluminium dehnt sich anders aus als die Teile darauf, was große Keramikteile und Lötverbindungen unter Temperaturzyklen belasten kann.
• Bohren und Fräsen einer Metallplatine ist langsamer und die Platine ist schwerer. Fragen Sie nach den Grenzwerten.

Hochfrequenz-Laminate (Rogers, PTFE und andere)

Bei Funk- und Mikrowellenfrequenzen verliert Standard-FR-4 zu viel Signal, und sein Dk variiert zu stark. Speziallaminate haben ein niedrigeres und gleichmäßigeres Dk und ein viel niedrigeres Df. Sie fallen in zwei Gruppen: PTFE-basiert (Teflon-Typ) und keramikgefüllte Kohlenwasserstoff- oder ähnliche Materialien. Rogers Corporation ist ein bekannter Hersteller; andere Hersteller verkaufen Entsprechungen. Dk-Werte reichen von etwa 2 bis 10 über die Familien, sodass die Wahl dem Entwurf folgt.

Praktische Punkte:

• Sie sind pro Fläche teurer als FR-4.
• Sie können Sonderverarbeitung brauchen, da PTFE weich und rutschig ist.
• Viele Entwürfe verwenden ein Hybrid: eine dünne Hochfrequenzlage für den Funkteil und FR-4 für den Rest, was die Kosten senkt, aber einen Lagenaufbau braucht, der für das Werk funktioniert.
• Fragen Sie das Werk, welche Marken und Dicken es liefern kann, bevor Sie die Platine um eines herum entwerfen.

Sie brauchen diese selten unter 1 GHz. Zwischen 1 und einigen Gigahertz funktioniert sorgfältiger FR-4-Entwurf für viele Produkte; darüber oder wenn Verluste zählen, wird ein besseres Laminat die vernünftige Wahl.

Flexible und starr-flexible Platinen

Eine flexible Platine wird auf Polyimidfilm gemacht, nicht auf Glasfaser. Sie biegt sich und kann einmal zur Passung gefaltet oder in einem beweglichen Teil immer wieder gebogen werden. Die zwei Verwendungen sind verschieden: eine einmal gemachte Biegung ist eine statische Biegung, wiederholtes Biegen ist eine dynamische Biegung, und die Entwurfsregeln (Kupferart, Biegeradius, Leiterbahnführung) sind nicht dieselben. Starr-flexibel kombiniert starre Abschnitte und flexible Verbindungen in einem Stück.

Zu merkende Punkte:

• Flex braucht einen Biegeradius, der von seiner Dicke abhängt; Entwerfer verwenden ein Vielfaches der Gesamtdicke, mit größeren Vielfachen für mehr Lagen und für dynamische Verwendung.
• Versteifungen (extra starres Material, das hinter Steckverbinderbereichen gebunden ist) werden hinzugefügt, wo Teile montiert werden oder wo ein Steckverbinder eingesteckt wird.
• Flex und Starr-flexibel kosten pro Fläche viel mehr als FR-4.
• Flex nimmt Feuchtigkeit auf und sollte vor der Bestückung getrocknet werden.

1. FR-4: Kupfer, ein starrer Kern aus Glasgewebe in Harz (die Streifen), Kupfer.
2. Metallkern: eine Kupferschaltung, eine dünne isolierende Schicht, dann eine dicke Metallbasis.
3. Flex: ein dünner Film mit Kupfer darauf. Er biegt sich, statt flach zu bleiben.
4. Wärme von einem Teil auf einer Metallkern-Platine geht durch den dünnen Isolator in die Basis hinab.

Wie Sie wählen

1. Beginnen Sie mit FR-4. Wählen Sie die Tg aus dem Lötprozess und der Lagenzahl.
2. Wählen Sie einen Metallkern, wenn die Wärme von wenigen Teilen das Problem ist, und führen Sie die Wärme durch die Platine hinaus.
3. Wählen Sie ein Hochfrequenz-Laminat, wenn Verluste oder ein stabiles Dk die Leistung bestimmen, meist für Funk.
4. Wählen Sie Flex, wenn sich das Produkt bewegt oder in eine Form passen muss, die eine starre Platine nicht kann.
5. Fragen Sie im Zweifel das Werk, bevor Sie die Platine um ein Material herum entwerfen.

Wie dies beim Bestellen hier erscheint

Die angebotenen Materialien, Dicken und Sonderprozesse sind auf der Seite zu den Fertigungsmöglichkeiten gelistet, und die geltende Liste ist die, die zählt. Das Werk arbeitet mit FR-4, Aluminium, Kupfer und flexiblen Substraten und mit Materialien mit hoher Tg, halogenfreien und Hochfrequenz-Materialien. Welche davon Sie über die Website bestellen können, ist auf der Seite zu den Fertigungsmöglichkeiten festgesetzt, und ein Ingenieur bestätigt jede Bestellung. Lagenaufbauten und Impedanz werden in Kupferdicke, Lagenaufbau und Impedanz behandelt.