Materialien

1. Einleitung
Verschiedenste Anforderungen an die Leiterplatten machen die Verwendung von unterschiedlichen Leiterplattensubstraten notwendig.
Dabei werden speziell an die Zuverlässigkeit von Leiterplatten zunehmend höhere Ansprüche gestellt.
Während für viele Standardanwendungen das klassische FR4-Material, ggf. mit verbesserten thermo-mechanischen Eigenschaften durch modifizierte Harzsysteme ausreichend sind, so sind beispielsweise im Hochfrequenzbereich zwingend andere Materialvarianten erforderlich.
Die vorliegende Technologie-Info soll Ihnen eine prinzipielle Übersicht über alle marktgängigen Materialtypen und deren grundsätzlichen Eigenschaften geben und Ihnen so die Auswahl gemäß dem geforderten Anwendungsgebiet erleichtern.


2. Allgemeine Eigenschaften von Laminaten
Alle benannten und bei CONTAG eingesetzten Basismaterialien entsprechen den aktuellen Versionen folgender internationalen Normen:

Material  Norm  
Basismaterial für starre Leiterplatten, 1- und 2-seitig, Multilayer  IPC-4101  
Basismaterial für HF-Anwendungen  IPC-4103  
Kupferkaschierte Folien für flexible Leiterplatten  IPC-4204  
Flexible kleberbeschichtete Folien für flexible Leiterplatten  IPC-4203  


Grundsätzlich lassen sich die Eigenschaften von Basismaterialien in mechanische, elektrische und thermische Eigenschaften unterteilen.
Neben z. T. für spezielle Anwendungen erforderliche elektrische Eigenschaften, die z.B. im HF-Bereich unabdingbar sind, bestimmen hauptsächlich die thermischen Eigenschaften die Einsetzbarkeit und Zuverlässigkeit des Materials.

Thermische Eigenschaften:
Entscheidende Einflussgrößen sind dabei weniger die Glasübergangstemperatur Tg, sondern vielmehr die Delaminationszeit bei 260°C und 288°C, das Ausdehnungsverhalten CTE (in x, y und z) und die Beständigkeit bei thermischen Zyklentests. Die erhöhten Löttemperaturen mit bleifreien Loten bedeuten eine verstärkte thermische Belastung der Leiterplatte, welche die Gefahr von Hülsenrissen, Cornercracks, Kupferablösung und Delamination erhöht.

Speziell die Zuverlässigkeit von Leiterplatten in Kfz-Anwendungen wird zunehmend über Temperaturwechseltests geprüft, typische Bedingungen sind hierbei –40°C bis +125°C/>500 Zyklen oder –40°C bis +140°C/1000Zyklen. Diese Beständigkeit erfüllen nur Materialien mit geringer Ausdehnung in z-Richtung, also einem kleinen CTE (z).

Während der Tg lediglich als Richtwert für eine dauerhafte thermische Belastung der Leiterplatte dienen kann (ca. 20°C-25°C unter dem Tg), sind die anderen benannten Eigenschaften, speziell der CTE (z) die relevanten Werte, wenn es um die Zuverlässigkeit der Leiterplatte geht. „Moderne“ FR4-Substrate mit FR4-Harzsystemen verfügen über diese Eigenschaften, weisen aber einen Tg von lediglich 140°C-150°C aus.

Elektrische Eigenschaften:

  • Dielektrizitätskonstante (bezogen auf eine definierte Frequenz, meistens angegeben bei 1MHz, 1GHz und 10GHz)
  • Verlustwinkel (bezogen auf die definierte Frequenz, s. o.)
  • Spannungsfestigkeit
  • Volumenwiderstand
  • Oberflächenwiderstand
  • CTI (Conductive Tracking Index), beschreibt die Kriechstromfestigkeit
  • CAF-Resistenz (Elektromigration zwischen Durchkontaktierungen)


Mechanische Eigenschaften:
  • Haftfestigkeit der Cu-Folie
  • Biegefestigkeit
  • Elastizität


Weitere Eigenschaften:
  • Wasseraufnahme
  • Dichte


Sind die Basismaterialien RoHS-konform?
Alle marktüblichen Materialien genügen bereits ohne Einschränkungen der RoHS/WEEE-Vorgabe. Darüber hinaus gibt es außerdem wirklich „grüne Substrate“, die komplett auf Halogene als Flammhemmer verzichten. Diese verfügen zusätzlich über eine sehr gute thermische Beständigkeit, haben sich aber aufgrund deutlich höherer Kosten und stärkerer Werkzeugabnutzung beim Bohren und Fräsen noch nicht als Standardmaterial durchsetzen können.

3. Werte einiger ausgewählter typischer Materialgruppen



4. Materialbeispiele für verschiedene Anforderungen

Standardanwendungen

Einsatz bei höheren Temperaturen

Impedanz- und HF-Anwendungen

Flexible Anwendungen

*) Standardmaterial bei CONTAG
**) Verschiedene Stärken vorrätig
***) Die Faktoren beziehen sich immer auf die Kosten in einer Serienfertigung. Bei CONTAG kann es durch Materialbestellungen in kleinen Stückzahlen und kurzen Lieferzeiten zu Verschiebungen kommen.


5. Zusammenfassung
Das universelle Basismaterial für die Leiterplatte gibt es nicht. Ob Standard-, HF-, Hochtemperatur oder eine andere Anwendung: Es steht eine Vielzahl von Substrattypen zur Verfügung.

Für weitergehende technologische Fragen rund um das Thema Leiterplatten wenden Sie sich bitte an unser Technologen-Team (Tel. 030 / 351 788 – 155).

Ausgabestand: B

 

Ihr persönlicher Ansprechpartner

Uwe Sydow
Leiter Produktentwicklung
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