Leiterplattenmaterial für Hochfrequenz-Anwendungen Basismaterial mit geringem CTE für HF-Schaltungen bis zu 60 GHz

Mit einem hohen Anteil an mineralischen Füllstoffen lassen sich ausdehnungsarme polymere Basismaterialien herstellen, die prädestiniert sind für HF-Anwendungen. Unter Beweis gestellt hat das der Lehrstuhl Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth in Kooperation mit der TU Hamburg-Harburg. In Zusammenarbeit mit Heger GmbH Leiterplatten-Schnellservice wurde der erste 6-Lagen-Multilayer realisiert.

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Auf der Suche nach kostengünstigeren Basismaterialien für HF-Schaltungen ist es der Heger GmbH Leiterplatten-Schnellservice in enger Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth, der TU Hamburg-Harburg und der Lehmann & Voss & Co. KG gelungen, die zweite Generation thermoplastischer Leiterplatten zu entwickeln.

Zum Einsatz kommt ein modifizierter Hochtemperaturthermoplast, welcher, versetzt mit einem hohen Anteil an mineralischen Füllstoffen, einen erstaunlich geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist. „Das Augenmerk liegt dabei insbesondere auf den amorphen Thermoplasten Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES) und den teilkristallinen Werkstoffen Polyphenylensulfid (PPS) und Polyetheretherketon (PEEK)“, berichtet Thomas Apeldorn, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Polymer Engineering der Universität Bayreuth.

Hochtemperaturthermoplasten werden mineralische Füllstoffe zugesetzt

Die Forscher versehen die Thermoplasten mit einem hohen Anteil an mineralischen Füllstoffen. „Wir haben lange an der Materialrezeptur gefeilt, bis wir die richtige Mischung gefunden haben“, erklärt der Fachmann. Die eingesetzten mineralischen Füllstoffe verfügen mit ca. 0 bis 3 ppm/K über einen sehr geringen CTE und über recht niedrige dielektrische Verlustfaktoren.

Die Polymere (PEI, PES, PPS, PEEK) haben einen CTE, der lediglich zwischen 45 und 55 ppm/K liegt und der mit der Modifizierung auf Werte zwischen 17 und 24 ppm/K in x/y Ebene und zwischen 25 und 50 ppm/K in z Richtung verringert werden kann, was den Werten konventioneller Leiterplattensubstrate entspricht. Außerdem sind die Werkstoffe leicht zu verarbeiten.

Ausdehnungskoeffizient signifikant reduziert und Wasseraufnahme halbiert

Die Zugabe von plättchenförmigen Mineralien senkt nicht nur den CTE in der x-/y-Ebene. „Durch die Einarbeitung von hohen Anteilen der mineralischen Füllstoffe ist es möglich, die Wasseraufnahme im gesättigten Zustand zu halbieren“, erläutert der Experte. Damit reduzieren sich die aus einer zu hohen Wasseraufnahme resultierenden Delaminierungserscheinungen im Lötprozess.

Die Herstellung dieser ausdehnungsarmer Substrate ist relativ einfach, erläutert Apeldorn: „Mit einem Extruder versehen wir die Hochtemperaturthermoplaste mit einem hohen Anteil an mineralischen Füllstoffen.“ Das Herstellungsverfahren erfolgt „in einem Schritt, also am laufenden Meter, zu endlos langen dünnen Folien mit Dicken von 0,2 bis 0,5 mm, verarbeitet. Zudem besteht die Möglichkeit, dickere Substrate von 1 bis 4 mm mit einem Spritzgusscompounder herzustellen. Die maximale Substratbreite beträgt derzeit 220 mm.

So ist die Materialaufbereitung, und Substratherstellung in einem Schritt möglich: „Die Einsparung von Verarbeitungsschritten ermöglicht eine materialschonende und kostensparende Substratherstellung“, resümiert Apeldorn. Bedingt durch die hochgefüllte Struktur ist kaum mit Verwölbung oder Verzug zu rechnen. „Das Material weist dabei eine sehr glatte Oberfläche auf“, bestätigt Katja Ranocha, Geschäftsführerin von Heger GmbH Leiterplatten-Schnellservice in Norderstedt.

Erster hybrider Multilayer mit FR4-Kern und Außenlagen aus modifiziertem Hochtemperatur-Thermoplast

Ein erster hybrider Multilayer wurde bereits auf Basis des so genannten LuVo-Boards aufgebaut, gefördert von der Behörde für Wirtschaft und Arbeit in Hamburg im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms zusammen mit der Firma Lehmann & Voss & Co. KG. Dabei handelt es sich um einen hoch gefüllten Hochtemperaturthermoplasten, basierend auf PEI. Das LuVo Board weist einen nahezu isotropen CTE auf.

Die Substrate wurden mit Dicken von 0,2 mm und Breiten von 180 mm über die Folienextrusion hergestellt. Danach beidseitig über Heizpressen mit Kupferfolie verpresst – ohne Kleber. In den Innenlagen des ersten Multilayers liegt ein FR4-Kern, der über dünne FR4-Prepregs mit den in den Außenlagen befindlichen 2 LuVo-Board Kernen verklebt wurde. Mit einer Enddicke von nur 0,6 bis 0,8 mm weist es 6 Lagen auf, mit Leiterbahnstrukturen und -abständen von 100 µm sowie Bohrungen und Durchkontaktierungen mit 0,2 mm Durchmesser. Die Impedanztoleranzen liegen bei üblichen ±10%. Gemessen bei 1 GHz betrug die dielektrische Konstante 3,5 und der dielektrische Verlustfaktor 0,0021. Das Board verträgt Dauereinsatztemperaturen von 170 bis 250°C.

Basismaterial hat vergleichbare Eigenschaften von RO 4000 bei der Hälfte der Kosten

Wichtig für die Langzeitbeständigkeit der Platine ist eine ausreichende Haftfestigkeit zur Kupferfolie, die Apeldorn mit 0,8 N/mm beziffert. Damit ist das Substrat mit dem häufig eingesetzten HF-Material RO4350b vergleichbar. Apeldorn: „Das LuVo-Board weist ähnliche Eigenschaften auf wie RO 4000 und kostet dabei nur halb soviel“, betont Thomas Apeldorn. Künftige Multilayer sollen für bis zu 60 GHz geeignet sein.

Nicht nur, dass modifizierte Hochtemperaturthermoplaste einen geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten haben und deutlich weniger als vergleichbare HF-Substrate kosten, sie benötigen sie keine Flammschutzmittel, sind voll recyclingfähig und RoHS-konform. „Außerdem“, so Katja Ranocha, „lassen sie sich nachträglich dreidimensional verformen selbst nach der Bestückung, was besonders in der Luft- und Raumfahrtechnik interessant ist, wo der Platzbedarf gering ist.“

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