Was PCB-Rohstoffe für eine Rolle spielen: Leistung, Verlässlichkeit und Kosten

Um Leistung, Verlässlichkeit und Kosteneffizient in elektronischen Geräten zu optimieren, ist unverzichtbar, die zahlreichen Rohstoffe zu verstehen, die in der Herstellung von Leiterplatten (PCBs) verwendet werden. Jede PCB muss anwendungsspezifische Anforderungen erfüllen, je nach ihrer Betriebsumgebung. Aus diesem Grund ist es wichtig, Materialien mit den richtigen Eigenschaften zu wählen. Die ICAPE-Group produziert und liefert PCBs seit 1999. Auf seiner Website teilt das Unternehmen Informationen zu Abwägungen in Sachen Material, welche in der Branche entscheidend sind.

Substrate und Kupferschichten

PCB-Rohmaterialien setzen sich zusammen aus organischen und anorganischen Substraten sowie leitfähigen Kupferschichten. Zu den organischen Substraten gehören mit Phenolharzen imprägnierte Papierhülsen oder gewebte/nicht gewebte Glasfasergewebe, die mit Epoxid-, Polyimid-, Cyanatester- oder BT-Harzen imprägniert sind. Zu den anorganischen Substraten gehören Keramik, Aluminium und Kupfer-Invar-Kupfer.

Die Wahl des organischen Substrates richtet sich nach den physikalischen Eigenschaften, die für die PCB-Anwendung erforderlich sind. So zum Beispiel Betriebstemperatur, Frequenz oder mechanische Belastbarkeit. Zur Anwendung von anorganischen Materialien entscheidet man sich meist dann, wenn effektives Wärmemanagement erforderlich ist.

Arten von PCB-Rohstoffen

Das Substrat bildet die Basis, auf welche Kupfer laminiert wird und ist so eine strukturelle Unterstützung für elektronische Komponenten. Gängige Substratmaterialien sind FR-4, CEM-1, CEM-3, mit Keramik gefüllte Kohlenwasserstoffe, PTFE, modifizierte Epoxidharze, BT (Bismaleimid-Triazin), Aluminium, Keramik und flexible Materialien.

Leitfähige Materialien werden verwendet, um Leiterbahnen, Pads und Vias auf der PCB-Oberfläche herzustellen. Kupfer ist das geläufigste leitfähige Material, weil es eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit besitzt und preiswert ist. Silber und Gold werden verwendet für Keramik-PCBs in Spezialanwendungen.

Für Hochfrequenz-Designs bieten fortschrittliche Materialien wie modifizierte Epoxidharze und mit Keramik gefüllte Kohlenwasserstoffe eine bessere elektrische Leistung, geringen dielektrischen Verlust und thermische Stabilität. Bei Hochfrequenz- und Mikrowellen-Anwendungen können mit Keramik gefüllte Kohlenwasserstoffe oder PTFE erforderlich sein, um bestimmte Leistungsanforderungen zu erfüllen.

In Anwendungen mit hohen thermischen Anforderungen werden häufig IMS-Designs (Isoliertes-Metallsubstrat-Designs) verwendet, wie etwa PCBs auf Aluminiumbasis, wegen ihrer äußerst guten Wärmeableitung. Keramik-PCBs sind auch geeignet für Hochtemperatur-Umgebungen, in denen das Wärmemanagement entscheidend ist.

Flexible PCB-Materialien wie Polyimid sind ideal für kompakte oder mobile Anwendungen, so zum Beispiel tragbare Geräte und medizinische Implantate.

Die Wahl des Materials wird beeinflusst von den Anforderungen der Anwendung, Kostenerwägungen und Leistungsangaben. Hier ist eine Überblick über die häufigsten Arten von PCB-Materialien:

FR-4

Das am häufigsten verwendete PCB-Material, geeignet für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Unterhaltungselektronik, Automobilsysteme, industrielle Steuerungen, Militär und medizinische Ausstattung.

Vorteile:

• Hervorragende elektrische Isolierung
• Gute mechanische Festigkeit und Formbeständigkeit
• Kostengünstig
• Gut verfügbar

Nachteile:

• Begrenzte Wärmeleitfähigkeit
• Nicht zum Stanzen geeignet

CEM-1

In der Regel verwendet in preisgünstigen Unterhaltungselektronik- und Haushaltsgeräten.

Vorteile:

• Geringe Kosten
• Gut für Stanzvorgänge

Nachteile:

• Nicht geeignet für doppelseitige PCBs mit durchkontaktierten Löchern

CEM-3

Wird für ähnliche Anwendungen wie CEM-1 verwendet, bietet jedoch die Möglichkeit der Durchkontaktierung. Geeignet als kostengünstige FR-4-Alternative.

Nachteile:

• Weniger leicht verfügbar als FR-4

Modifiziertes FR-4 auf Epoxidbasis

Häufig verwendet in Hochleistungsanwendungen wie HDI (High Density Interconnect), Luft- und Raumfahrt und Telekommunikation.

Vorteile:

• Gute elektrische Leistung bei höheren Frequenzen
• Geringerer dielektrischer Verlust als bei Standard-FR-4
• Verbesserte thermische Stabilität

Nachteile:

• Höhere Kosten als bei Standard-FR-4

IMS PCBs (Insulated Metal Substrates)

Meist auf Aluminiumbasis, eingesetzt in Anwendungen, die ein effizientes Wärmemanagement erfordern, wie LED-Beleuchtung, Netzteile und Automobilelektronik.

Vorteile:

• Ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit
• Leicht
• Gute Formstabilität
• Relativ tiefe Kosten

Nachteile:

• Schwieriger zu verarbeiten
• Komplexe Herstellung in Mehrschichtbauweise

Flexible PCBs

Verwendet in Anwendungen, die mechanische Flexibilität erfordern oder Platzbeschränkungen haben, wie Wearables, medizinische Geräte und Automobilsysteme.

Vorteile:

• Flexibel und biegbar
• Geringere Größe und Gewicht
• Kombinierte starr-flexible Designs bieten zuverlässigere Verbindungen als separate starre Leiterplatten mit Kabeln

Nachteile:

• Teurer als starre PCBs
• Geringere mechanische Stärke im Vergleich zu starren Leiterplatten

Keramische PCBs

Verwendet in Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen, wie Leistungselektronik, LED-Gehäuse und Sensoren.

Vorteile:

• Ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit
• Hohe Temperaturbeständigkeit
• Ausgezeichnete Dimensionsstabilität

Nachteile:

• Höhere Kosten als bei Standard FR-4
• Spröde und erfordert sorgfältige Handhabung bei der Montage
• Eingeschränkte Lieferfähigkeit für keramische Mehrschichtstrukturen aufgrund der Komplexität des Prozesses und der extremen Temperaturen
• Schwierig zu verarbeiten

Mit Keramik gefüllte Kohlenwasserstoffe / PTFE

Verwendet in Hochfrequenz- und Hochleistungsanwendungen wie RF-/Mikrowellenschaltungen, Luft- und Raumfahrt und Telekommunikation.

Vorteile:

• Ausgezeichnete elektrische Leistung bei hohen Frequenzen
• Geringer dielektrischer Verlust
• Gute thermische Stabilität

Nachteile:

• Höhere Kosten als bei FR-4
• Begrenzte Verfügbarkeit spezifischer Formulierungen

Verschiedene PCBs erfordern verschiedene Rohstoffe

Zusammenfassend kann man sagen, dass PCB-Rohstoffe – einschließlich Substrate und leitfähige Schichten – die Basiskomponenten der PCB-Herstellung sind.

Gängige Substrate sind unter anderem FR-4, CEM-1, CEM-3, mit Keramik gefüllte Kohlenwasserstoffe, PTFE, modifizierte Epoxide, Aluminium, Keramik und flexible Materialien. Jedes dieser Substrate hat spezifische Eigenschaften, die auf verschiedene Anwendungen passen.

Kupfer ist nach wie vor das am häufigsten verwendete leitfähige Material aufgrund seiner ausgezeichneten Leitfähigkeit und seinem konkurrenzfähigen Preis. Für keramische PCBs werden auch Silber und Gold verwendet.

Zu den Vorteilen von keramisch gefüllten Kohlenwasserstoffen oder PTFE gehören ihre hervorragende elektrische Leistung, geringer dielektrischer Verlust und ihre thermische Stabilität. Das macht sie ideal für Mikrowellen-, Millimeterwellen- und HF-Designs. PCBs auf Aluminium-Basis bieten eine ausgezeichnete Wärmeableitung und sind gut geeignet für LED-Beleuchtung und Leistungselektronik.

Flexible Substrate wie Polyimid bieten Flexibilität in Sachen Design und reduzieren Größe und Gewicht, wodurch sie ideal sind für kompakte oder dynamische Anwendungen wie Wearables und medizinische Implantate. Keramische PCBs haben eine ausgezeichnete Wärmeableitung, thermische Beständigkeit und Dimensionsstabilität und sind daher ideal für Hochtemperatur- und Hochleistungsumgebungen.

Im Großen und Ganzen sind bei der Auswahl von Rohmaterialien folgende Faktoren zu berücksichtigen: elektrische Leistung, Ansprüche an das Wärmemanagement, mechanische Beständigkeit, Kosten und Umweltbelastung.