Materialauswahl für PCBs: Wie sich Substrateigenschaften auf die Leistungsfähigkeit von PCBs auswirken

Circuit Board with flame resisant Materialauswahl für PCB

Materialauswahl für PCB 

Vom frühen 15. Jahrhundert bis ins 17. Jahrhundert nutzten Künstler die Techniken flämischer Meister zur Erstellung naturgetreuer Bilder. Der Malprozess beginnt mit einer Vorzeichnung aus Blei, Zeichenkohle oder Tusche. Dann wird die Imprimatura, die erste transparente Farbschicht, in einem Olivton, aufgetragen. Anschließend wird die erste Untermalung in Umbra aufgebracht. Nach dem Abreiben folgt eine zweite Untermalung in Umbra und nach nochmaligem Abreiben eine einfarbige Untermalung.

Der Fokus der einzelnen Schichten der Untermalung liegt neben der Tonhöhe der dargestellten Bildgegenstände auf Details und erfordert ein genaues Vorgehen. Nach dem Aufbringen dieser Schichten und dem nochmaligen Abreiben, um eine gleichmäßige Oberfläche zu erzeugen, überzieht der Maler die gesamte Leinwand mit Öl und setzt seine Arbeit mit der ersten und zweiten Farbschicht fort. Der Fokus der zweiten Schicht liegt auf Details und der Textur. Eine ergänzende Reinigung schafft die Voraussetzung für die letzte Farbschicht, mit der die hellsten Stellen des Bildes betont werden.

PCB-Designer: Layout-Techniker und Materialkünstler

Leiterplatten oder gedruckte Schaltungen haben, was Kupferbedarf und Platinenplatz betrifft, im Großen und Ganzen ähnliche Anforderungen. Ob Berufseinsteiger oder erfahrener Layout-Planer: Sie kennen wesentlichen Punkte, die im Design-Prozess Kopfzerbrechen bereiten: Routing von Leiterbahnen, Platzierung der Bauteile, so dass die Signal- und Powerintegrität aufrechterhalten bleiben, Entwurf einer gedruckten Schaltung, die mit Blick auf Lötstoppmasken und Gehäuse, aus fertigungstechnischer Sicht gut zu produzieren ist. 

Woher wissen Sie, wie Sie Ihre Designs optimieren können? Indem Sie die richtige Materialauswahl für Ihr PCB treffen.

Woher wissen Sie, wie Sie Ihre Designs optimieren können? Indem Sie die richtige Materialauswahl für Ihr PCB treffen.

Das Entwerfen eines PCB basiert auf demselben Ansatz, dem die alten Meister mit der flämischen Maltechnik folgten. Der Künstler konzentriert sich ganz auf das fertige Bild und verliert dabei nicht die kleinen Details aus den Augen. Übertragen auf das PCB-Design führt die „Vorgehensweise der alten Meister“ nicht nur zu einem besseren Verständnis der einzelne Bauteile eines PCB, sondern auch dafür, wie sich die verschiedenen Eigenschaften von Substraten und Leitern auf die PCB-Leistung auswirken. So können zum Beispiel die üblicherweise verwendeten Substratwerkstoffe die PCB-Leistung bei hohen Frequenzen mindern. 

Auswahl des PCB-Materials: Wichtig ist der Untergrund

Bei der flämischen Maltechnik hat der Untergrund oberste Priorität. Jede Schicht der Untermalung verleiht dem fertigen Werk zusätzliche Tiefe. Da das Substrat die Grundlage bildet, sollten Sie die thermischen, elektrischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften des Substrats kennen und beachten. In Tabelle eins sind die Substrateigenschaften aufgeführt. Jede dieser Eigenschaften kann die anderen beeinflussen und sich auf die Leistungsfähigkeit des PCB auswirken.

Tabelle eins – Substrateigenschaften

THERMISCH

ELEKTRISCH

CHEMISCH

MECHANISCH

Glasübergangstemperatur (Tg)

 

Maßeinheit (Co)

 

Temperaturschwelle ab der das Substratmaterial erweicht

Dielektrizitätskonstante (Dk)

 

Kapazität zwischen zwei Leitern, getrennt durch ein Dielektrikum gegenüber der gleichen Anordnung im Vakuum

 

Entflammbarkeit

 

Flammenhemmende Eigenschaft von Kunststoffen

Abschälfestigkeit

 

Misst die Haftung zwischen den dielektrischen Lagen und Kupferlagen eines PCB während der Einwirkung von thermischer Belastung, hohen Temperaturen und Chemikalien

 

 

Zersetzungstemperatur (Td)

 

Maßeinheit (Co)

 

Temperaturschwelle ab der Substratmaterial an Masse verliert

Dielektrischer Verlustfaktor (Df) 

 

Maß der Energiemenge, die von einem Material absorbiert und in Verlustwärme umgewandelt wird; je kleiner Df, desto weniger Energie geht als Verlustwärme verloren

Feuchtigkeitsaufnahme

 

Feuchtebeständigkeit eines dielektrischen Stoffes beim Eintauchen in Flüssigkeit

 

 

Biegefestigkeit

 

Maßeinheit (Pfund pro Quadratzoll)

 

Fähigkeit physische Belastung zu absorbieren, ohne zu brechen

 

 

Thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE)

 

Maßeinheit (Parts per Million - ppm)

 

Temperaturschwelle

Spezifischer Durchgangswiderstand

 

Maßeinheit (Ohm-Meter)

 

Widerstand eines dielektrischen Stoffes gegen Stromfluss oder Isolierung

Beständigkeit gegenüber Dichlormethan

 

 

Misst die chemische Beständigkeit von PCB-Substraten durch Messung der Beständigkeit gegenüber Dichlormethan

Elastizitätsmodul

 

Misst die Fähigkeit eines dielektrischen Stoffs, Zug- und Druckbeanspruchungen standzuhalten, und gibt das Spannungs-/Dehnungsverhältnis des Substrats an

Wärmeleitfähigkeit (k)

 

Maßeinheit (Watt pro Meter)

 

Fähigkeit eines Substratstoffs, Wärme zu leiten

Oberflächenwiderstand

 

Oberflächenwiderstand eines dielektrischen Stoffes gegen Stromfluss oder Isolierung

 

Zeit bis zur Delamination

 

Misst die Zeitdauer, bis sich einzelne Schichten eines dielektrischer Stoffs bei Temperaturen über einer bestimmten Schwelle, Temperaturschock oder Feuchte ablösen

 

 

 

Spannungsfestigkeit

 

Maßeinheit

 

Eigenschaft eines dielektrischen Stoffs, den Überschlag von einem Lichtbogen zwischen zwei Punkten zu verhindern

 

Dichte

 

Maßeinheit (Pfund pro Kubikzoll)

 

 

Die Wahl des Substratmaterials wirkt sich auf die Leistungsfähigkeit des Schaltkreises aus. So ist es zum Beispiel sehr wichtig, die CTEs der Substratwerkstoffe zu kennen. Falls die CTEs zweier Substratwerkstoffe (oder auch die CTEs von Substrat und Bauteilen) zu weit auseinanderliegen, sind Probleme vorprogrammiert. Weichen die CTEs der Substrate zu stark voneinander ab, können durch die unterschiedlichen Ausdehnungsgeschwindigkeiten oder zunehmende Instabilität der dielektrischen Konstante Schäden entstehen. Bauteile wie Siliziumspeicherchips haben einen niedrigen CTE, Glasfaserlaminate dagegen hohe CTEs. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungsgeschwindigkeiten können Lötstellen brechen oder Bauteile beschädigt werden.

Das ist keine gute Kombination

Maler, die die flämische Maltechnik verwenden, wählen bestimmte Farben und Pinsel, um die optimale Tönung und Tiefe zu erzielen. Fehler treten auf, wenn ein Künstler Wechselwirkungen zwischen Ölen, Firnis und Farben nicht bedenkt. Die Auswahl von Substratmaterial folgt einem ähnlichen Ansatz. Die Impedanz von Schaltkreisen unterliegt verschiedenen Größen, vor allem, wenn diese Schaltkreise bei hohen Frequenzen und Geschwindigkeiten arbeiten. So können zum Beispiel Feuchtigkeitsaufnahme und thermische Leitfähigkeit die dielektrische Konstante beeinflussen. PCBs mit feuchtigkeitsabsorbierenden Materialien oder wärmeerzeugenden Bauteilen haben eine höhere dielektrische Konstante, was sich wiederum auf die Leistung des Schaltkreises bei hohen Frequenzen auswirkt.

Impedanzänderungen oder Impedanzfehlanpassungen können dazu führen, dass digitale Hochgeschwindigkeitssignale Energie zurück zur Signalquelle reflektieren. Substratwerkstoffe für Hochfrequenz-Schaltkreise müssen eine dielektrische Konstante haben, die über einen weiten Frequenzbereich stabil bleibt. PTFE hat eine niedrige dielektrische Konstante, die sich nicht mit der Frequenz ändert. Da PTFE eine hohe CTE hat, sollten Sie dafür sorgen, dass auch die anderen in der PCB verwendeten Werkstoffe eine hohe CTE haben.

Tabelle zwei – Substrateigenschaften nach Typ  

Substrat

Typ

Glasübergangstemperatur

(Co)

Temperaturausdehnungskoeffizient

(X-Y)

Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz

Feuchtigkeitsaufnahme

(%)

Spannungsfestigkeit

Abschälfestigkeit

Lbs./in

Anwendungen

Epoxid Glas

FR-4 Family

135-210

13-17

4,4 – 4,8

0,15

1000-3000

>2,0

Computer und Peripheriegeräte, Rückwandplatinen

Polyimid Glas

250

12-16

4,0 – 4,6

0,35

 

>1,4

Mobile Produkte

Polyimid Quarz

250

6-8

3,5 – 3,8

0,35

 

>1,2

MEMS,

 Solarzellen

Epoxy Aramid

180

7-9

3,8 - 4,1

0,44

 

>1,7

Luftfahrtelektronik, Ultradünne Mobiltelefone

BT Epoxy

185

13-14

3,8 – 4,0

0,19

1200

>2,0

Mikroelektronik

PTFE

188

60

2,75 - 3,0

0,08

1090

>8,0

HF/Mikrowelle

Im Gegensatz zu PTFE ist der normale FR-4-Substratwerkstoff nicht für Hochfrequenzschaltkreise geeignet. Darüber hinaus bleibt die Dielektrizitätskonstante von FR-4 bei Temperaturänderungen nicht konstant. Vergrößert sich der Temperaturbereich der Anwendung, wirken sich diese Änderungen signifikant aus und verursachen Impedanzänderungen. Darüber hinaus kann die Änderung der dielektrischen Konstante auch dazu führen, dass mit steigenden Frequenzen kein flacher Frequenzgang erreicht und aufrechterhalten werden kann.

CircuitStudio bietet hochleistungsfähige Lösungen mit einer nutzerfreundlichen Schnittstelle, mit denen Sie Ihr PCB-Design unabhängig von Substratmaterial und Änderungen der Temperatur oder der dielektrischen Konstante schnell und sorgfältig erstellen können. Möchten Sie mehr über die Entwicklung zuverlässiger Designs und die Optimierung des Materialauswahlprozesses für PCBs erfahren, dann sprechen Sie mit einem Experten bei Altium.

Über den Autor

Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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