CAD, Leiterplatten- und Baugruppentechnik, Teil 1 Die Eigenschaften von Basismaterialien für elektronische Baugruppen

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Das Basismaterial ist die Grundlage jeder Leiterplatte und elektronischen Baugruppe und steht in hundert verschiedenen Typen zur Verfügung. Bei der Auswahl des Basismaterials sind verschiedene Kriterien zu beachten. Zudem muss die Beschreibung der eingesetzten Materialien noch vor Abschluss des Schaltplankonzeptes vorliegen.

Die einzelnen Bestandteile eines typischen Basismaterials sind: Klebstoff, Trägermaterial und Leitschicht. Beim FR4, dem mit Abstand meistgenutzten Basismaterial, besteht der Klebstoff aus Epoxydharz und das Trägermaterial aus verdrillten Glasfibrillen, die zu einem Glasgewebe verwoben sind.

„FR“ steht für „Flame retarding“ und weist damit auf die unverzichtbare flammhemmende Eigenschaft des Materials hin. Die „4“ steht für einen bestimmten FR-Typus. Es gibt auch die Typen „FR2“ und „FR3“, die heutzutage kaum noch in Benutzung sind, und „FR5“ mit einer höheren Temperaturbelastbarkeit als „FR4“.

Prepregs: der eine Bestandteil von Multilayern

Bei der Herstellung von FR4-Basismaterial wird zuerst das Glasgewebe mit dem Epoxydharz getränkt. Das Ergebnis sind „Prepregs“, ein Kunstwort, das für „Preimpregnated“ steht und darauf hinweisen soll, daß die Epoxydharzmatrix zwar angetrocknet aber noch nicht ausgehärtet ist.

Jedes Prepreg besteht aus genau einem Glasgewebetyp, der mit einer Nummer angegeben wird, zum Beispiel „106“, „1080“, „2116“ oder „7628“. Früher war diese Typenbezeichnung mit Bezug auf die Prepregdicke sehr verbindlich. Das 106er war zirka 50µm dick, das 1080er zirka 60µm, das 2116er zirka 115 und das 7628er zirka 180µm.

Die neuzeitliche Forderung nach einem sicheren aber auch kostengünstigen Verpressen von Multilayern hat zu diversen Prepregvarianten geführt, die sich in der Dicke der Harzbeschichtung unterscheiden. Es gibt weiterhin die Prepregs mit Standardharzgehalt aber jetzt auch mit mittlerem und hohem Harzgehalt.

Die üblichen Kennungen sind dann „SR“ für „Standard resin“, „MR“ für „Medium resin“ und „HR“ für High resin“. Inklusive aller Fertigungstoleranzen kann die Dicke eines sogenannten 1080er-Prepregs neuerdings zwischen 56µm (= SR-Variante, untere Toleranz) und 84µm (= HR-Variante, obere Toleranz) schwanken.

Laminate: der andere Bestandteil von Multilayern

Prepregs sind die eine Komponente für den Aufbau eines Multilayers. Die andere Komponente sind die Laminate, auch „Kerne“ oder „Cores“ oder „kupferkaschiertes Material“ genannt. Für die Fertigung eines Laminates werden ein oder mehrere Prepregs ein- oder beidseitig mit Kupferfolie belegt und verpresst (Bild 1).

Die Dicke des fertigen Laminates ergibt sich durch die Kombination der eingesetzten Prepregs. Umgangssprachlich sind „Dünnlaminate“ mit Dicken zwischen 0.05mm und 0.86mm, und „Dicklaminate“ mit Dicken zwischen 0.90mm und 3.2mm verfügbar. Die Dicke der Kupferkaschierung kann 5, 9, 12, 17, 35, 70, 105, 210 oder 420µm betragen.

Mit diesen Kupferdicken ist ursächlich keine direkte physikalische Eigenschaft verknüpft. Die Bezeichnungen kommen historisch bedingt aus dem angloamerikanischen Sprachraum und sind lediglich ein Vielfaches oder ein ganzzahliger Teiler von 1 Unze (= 35µm).

Über diesen Bezug erklärt sich übrigens auch die klassische Leiterplattendicke von 1.50mm.

Sondermaterialien

Inzwischen gibt es Hunderte von Basismaterialien, die spezielle Eigenschaften für spezielle Anwendungen bieten. Durch andere Klebstoffe wie Cyanatester oder Polytetrafluoräthylen und durch andere Füllstoffe und Trägermaterialien wie Keramik, Polyimid oder diverse Kohlenwasserstoffe werden besondere Leistungen des Basismaterials bei hochfrequenten oder bei temperaturbelasteten Anwendungen erreicht.

Die Sondermaterialien liegen nicht in den vielen unterschiedlichen Dicken vor, wie dies bei FR4 der Fall ist. Für viele Sondermaterialien gibt es keine eigenen Prepregs. Zudem sind Sondermaterialien oft erheblich teuer als FR4. Wenn die Anwendung das erfordert, dann ist es deshalb üblich, Hybrid-Multilayer zu bauen, die teils aus Sondermaterial und teils aus FR4 bestehen.

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