- Hochfrequenz-Leiterplattenmaterial mit geringen Verlusten
- Hochgeschwindigkeitsmaterialien mit niedrigem Dämpfungsverlust
Leiterplatten-Materialien
Leiterplatten (PCB) sind in nahezu allen elektronischen Geräten verbaut. Obwohl eine Leiterplatte nicht zwingend erforderlich ist, um ein elektronisches System zu realisieren, bietet sie eine praktische Lösung, um verschiedene Schaltkreise über Kupferbahnen zu verbinden und gleichzeitig eine stabile und zuverlässige Oberfläche für die Bauteilmontage bereitzustellen. Die Leiterplatte kann erheblichen Einfluss auf viele elektrische Systeme haben, weshalb der Wahl des Leiterplattenmaterials stets besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte.
Zu den wichtigsten Eigenschaften, die bei der Auswahl eines Leiterplattenmaterials zu berücksichtigen sind, zählen die Dielektrizitätskonstante (Dk), der Verlustfaktor (Df), die Wärmeleitfähigkeit (TC) und der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE). Weitere entscheidende Faktoren sind die Signalintegrität, die Materialkosten sowie die Fertigungskosten.
Leiterplatten-Materialdatenblätter
Die in diesem Leitfaden behandelten Materialien sind unten aufgeführt. Klicken Sie auf den Materialnamen, um das entsprechende Datenblatt herunterzuladen.
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Leiterplatten-Materialeigenschaften
Der Verlustfaktor (Df) ist der wichtigste Parameter zur Bestimmung des Signalverlusts in einem Leiterplattenmaterial; ein höherer Df-Wert führt zu höheren Verlusten. Zudem nimmt der Signalverlust mit steigender Frequenz oder Betriebsgeschwindigkeit zu. Daher sollte für Hochfrequenz- oder Hochgeschwindigkeitsanwendungen ein Leiterplattenmaterial mit niedrigem Df-Wert gewählt werden, um die Verluste zu kontrollieren.
Die Dielektrizitätskonstante (Dk) eines Leiterplattenmaterials ändert sich mit der Frequenz. Große Dk-Schwankungen über den Frequenzbereich führen zu stärkerer Signalverzerrung/Anstiegszeit-Verschlechterung, was für Hochfrequenz- oder Hochgeschwindigkeitssignale zunehmend problematisch wird. Daher ist es wünschenswert, dass die Dk mit steigender Signalgeschwindigkeit oder -frequenz möglichst wenig variiert. Diese Anforderung an geringe Dk-Variation über den Frequenzbereich wurde von allen Leiterplattenmaterialherstellern erkannt und umgesetzt.
Dielektrizitätskonstante (Dk)
Die Dk der meisten Leiterplattenmaterialien liegt zwischen 2 und 10. Die Dk bestimmt maßgeblich die Leiterbahnbreite von impedanzkontrollierten Übertragungsleitungen auf der Leiterplatte; je höher der Dk-Wert, desto schmaler muss die Leiterbahn bei gleicher Zielimpedanz sein. Ein höherer Dk-Wert führt zudem zu höheren dielektrischen Verlusten. Hochgeschwindigkeits-/Niedrigverlust-Materialien haben generell niedrigere Dk-Werte. Somit wird Dk zu einem wichtigen Auswahlkriterium für das elektrische Verhalten. Bei Standardmaterialien variiert die Dk deutlich mit der Frequenz, während sie bei Hochgeschwindigkeits-/Niedrigverlust-Materialien nahezu konstant bleibt. Die Dk des gebräuchlichsten Basismaterials FR4 (z.B. FR370HR) beträgt 3,92 @ 10 GHz.
Verlustfaktor (Df)
Der Verlustfaktor eines Materials ist der entscheidende Faktor für die Signaldämpfung bzw. den Signalverlust entlang einer Leiterbahn. Je niedriger der Df-Wert, desto geringer der Signalverlust. Daher ist Df aus Sicht der Signalintegrität das wichtigste Auswahlkriterium. Der Df von FR4-Material FR370HR beträgt 0,025 @ 10 GHz.
CTI-Klasse/Spannungsfestigkeit
Dieser Wert gibt die Spannungsschwelle an, oberhalb derer ein elektrischer Durchschlag zwischen zwei Leitern auf der Materialoberfläche auftreten kann. Je niedriger der CTI-Klassenwert, desto höher die Durchschlagsspannung. Das gebräuchliche FR4-Material FR370HR hat CTI-Klasse 3 mit einer Durchschlagsspannung zwischen 175V-249V.
Glasübergangstemperatur (Tg)
Die Tg markiert den Temperaturbereich, in dem das Trägermaterial von einem glasartigen, starren Zustand in einen weichen, verformbaren Zustand übergeht. Oberhalb der Tg ist der thermische Ausdehnungskoeffizient deutlich höher als darunter. Die Verformung im Tg-Bereich ist jedoch vollständig elastisch; bei Abkühlung unter die Tg kehrt das Material in seinen Ausgangszustand zurück. Für bleifreie (ROHS-konforme) Materialien beträgt die Mindest>Tg 170°C. Die Tg von FR370HR liegt bei 180°C.
Zersetzungstemperatur (Td)
Die Td ist die Temperatur, bei der das Material chemisch zerfällt – dieser Prozess ist irreversibel. Nach Überschreiten der Td ist das Material auch nach Abkühlung nicht mehr funktionsfähig. Die Td von FR370HR beträgt 340°C.
Thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE) in X/Y- und Z-Richtung
Dieser Wert gibt die Ausdehnungsrate des Materials in X-, Y- und Z-Richtung bei Temperaturerhöhung an (unterhalb der Tg). Der X/Y-CTE von FR370HR beträgt (13,14) ppm/°C, der Z-Achsen-CTE 45 ppm/°C.
Laminat-Lagerbestände
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