Leiterplattentechnik Relevante FR-4-Parameter für Entwickler - Teil 2

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Der zweite Teil über das am meisten verwendete Basismaterial FR-4 erklärt, welche Parameter Entwickler im FR-4-Datenblatt beachten müssen und was diese Eigenschaften über das Verhalten bei der Verarbeitung zur elektronischen Baugruppe aussagen.

Im ersten Teil unseres Artikels haben wir uns auf den Prozess der Herstellung von Glasfasergeweben und Leiterplatten konzentriert und dabei speziell die Komplexität von Multilayern berücksichtigt. Im zweiten Teil unseres Artikels liegt der Fokus nun darauf, die physikalischen Grundlagen, die diese Prozesse untermauern, zu erläutern und zu erklären, weshalb bei der Fertigung und Bestückung von Leiterplatten Fehler auftreten können.

Im Laufe ihres Lebenszyklus durchläuft eine Leiterplatte viele Heiz- und Kühlzyklen. Diese Zyklen sind ein integraler Bestandteil des Produktionsprozesses. Bei jedem Zyklus, etwa bei jedem Paar von Kupferschichten oder bei jeder Seite, an der Lötarbeiten vorgenommen werden, erfährt die Leiterplatte Wärmeveränderungen. Zudem können zusätzliche Zyklen durch die Nacharbeit oder das Auflöten eines Moduls hinzukommen.

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Außerdem ist zu bedenken, dass das fertige Produkt, abhängig von der spezifischen Anwendung und den Betriebsbedingungen, zahlreiche weitere Zyklen durchlaufen kann. Dies stellt hohe Anforderungen an die Beständigkeit und die Belastbarkeit der Leiterplatte, die alle diese Zyklen und den gesamten Rest ihrer Lebensdauer unbeschadet überstehen muss, um eine kontinuierliche und zuverlässige Leistung zu gewährleisten.

Wärmeausdehnungskoeffizient oder CTE-Wert

Auch wenn die Leiterplatte monolithisch zu sein scheint, besteht sie aus mehreren Materialien, die alle unterschiedlich auf die Temperatur reagieren. Ein Maß dafür ist der thermische Ausdehnungskoeffizient CTE (Coefficient of thermal expansion). Er gibt an, um wie viel sich das Material bei jeder Temperaturänderung ausdehnt, normalerweise um 1 Grad Celsius. Der CTE wird in der Regel in ppm / Grad Celsius angegeben: die Ausdehnung in Teilen pro Million einer Längeneinheit für jedes Grad Temperaturänderung. Manchmal wird die Gesamtausdehnung auch als Prozentsatz für einen Temperaturbereich angegeben, z. B. 3,3 Prozent für 50 bis 260 Grad Celsius.

Basismaterial SR-4, Teil 1

Was PCB-Designer über FR-4 wissen sollten

Einheitliche Materialien wie Kupfer haben einen einzigen CTE, da sie sich in alle Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit ausdehnen. Ein Verbundwerkstoff wie FR-4 sollte CTE-Werte für die drei Achsen x, y und z haben („CTEx“, „CTEy“ bzw. „CTEz“). Wenn das horizontale Webmuster der x- und y-Achse gleich ist, ist der CTEx derselbe wie der CTEy, andernfalls sind sie etwas unterschiedlich; die z-Achse unterscheidet sich jedoch erheblich von den horizontalen CTEs, da die Verstärkungsfasern nur in der x- und y-Achse verlaufen. Der CTE sollte auch unterhalb und oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) angegeben werden (mehr dazu später).

Zum Veranschaulichen ein einfaches Beispiel: Wenn der CTEx,y-Wert unseres Laminats mit 17 ppm / Grad Celsius angegeben ist und die Materialfläche 50 mm x 50 mm beträgt, würden wir erwarten, dass sich das Material in den XY-Achsen mit einem Wert von 50 / 106 x 17 = 0,00085 mm / Grad Celsius ausdehnt, oder 0,00085 x 200 = 0,17 mm bei 200 Grad Celsius

Probleme treten auf, wenn Materialien mit unterschiedlichen CTEs miteinander verklebt und dann erhitzt werden. Ein Beispiel: Klebt man Papier (niedriger CTE) auf ein Gummiband (hoher CTE) und zieht an den Enden, dann reißt das Papier. Bei einer elektronischen Baugruppe kann dieser Riss sowohl innerhalb der Leiterplatte als auch an den Lötstellen, zwischen der Leiterplatte und den Bauteilen auftreten.

Da es in z-Richtung keine Glasverstärkung gibt, ist der CTE des Harzes der primäre Expansionsfaktor, der unter- und oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg unterschiedlich ist: Der CTEz kann unterhalb des Tg bis zu 70 ppm / Grad Celsius betragen und oberhalb des Tg auf über 250 ppm / Grad Celsius ansteigen. Die Folge ist eine sehr starke Ausdehnung, wenn der Tg überschritten wird, was beim Löten mit Sicherheit der Fall ist.

Besonders kritisch sind metallisierte Bohrungen und Durchkontaktierungen durch das Laminat, wo eine Kupferhülse die Restringe an der Ober- und Unterseite der Leiterplatte verbindet. Der CTE von Kupfer liegt bei etwa 17 ppm / Grad Celsius, während der CTEz viel höher ist; CTEx,y werden normalerweise so hergestellt, dass ihr CTE nahe bei dem von Kupfer liegt.

Das bedeutet, dass sich das Laminat bei steigender Temperatur stärker ausdehnt als das Kupfer, was zu Rissen in der Hülse oder zum Abheben der Pads von der Leiterplattenoberfläche führen kann. Dieses Risiko steigt mit der Wiederholung und Dauer von bestimmten Temperaturzyklen.

Außerdem besteht die Möglichkeit von CTE-Fehlanpassungen zwischen der horizontalen Ausdehnung der Leiterplatte (CTEx,y) und den darauf gelöteten Bauteilen. Die Bauteile bestehen aus verschiedenen Materialien, die sich auch unterschiedlich schnell ausdehnen. Ein Ball Grid Array (BGA), eine häufig genutzte Form von integrierten Schaltungen, verfügt wahrscheinlich über eine Leiterplatte im Inneren des Gehäuses. Die Verbindung dieser internen Leiterplatte zur Hauptleiterplatte wird durch winzige Lotkugeln hergestellt. Aufgrund der Temperaturschwankungen während des Betriebs kann es allerdings zu Abweichungen in der Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) kommen.

Diese CTE-Abweichungen können Scherkräfte erzeugen und Risse in den Lötstellen verursachen. Solche Risse können den elektrischen Kontakt unterbrechen oder die Langzeitzuverlässigkeit des gesamten Produkts beeinträchtigen. Daher ist es ganz besonders wichtig, sich stets vor Augen zu führen, dass Verbundwerkstoffe, aus denen die Leiterplatten schließlich bestehen, durchaus eine recht breite Palette von verschiedenen CTE-Spezifikationen aufweisen können.

Ganz entscheidend ist es daher, dass es in der sorgfältigen und gewissenhaften Verantwortung der Designer liegt, sicherzustellen, dass sie die für ihre spezifische Anwendung gänzlich richtigen und passenden Spezifikationen in Betracht ziehen und berücksichtigen. Denn nur so lässt sich letztendlich eine optimale Leistung und maximale Zuverlässigkeit des jeweiligen Endprodukts in der Praxis gewährleisten.

Glasübergangstemperatur Tg-Wert

FR-4 hat eine Glasübergangstemperatur (Tg); die Temperatur, bei der ein Polymer die Phase zwischen einem glasig-spröden Zustand und einem zähflüssig-gummiartigen Zustand wechselt. Bei Temperaturen oberhalb des Tg steigt der CTE deutlich an und damit auch das vom Polymer eingenommene Volumen. Das am häufigsten verwendete FR-4 hat einen Tg von etwa 130 bis 140 Grad Celsius, wobei die Materialien mit zunehmender Tg-Spezifikation teurer und exotischer werden. 180 Grad Celsius gilt als „Hoch-Tg“; Laminate der Rogers RO4000 Familie können beispielsweise einen Tg von 280 Grad Celsius haben.

Während CTE-Werte über Tg vor allem für den Leiterplattenhersteller wichtig sind, ist der Tg-Wert selbst ein wichtiger Parameter für den Entwickler und Leiterplattendesigner. Er muss sicherstellen, dass die Umgebungstemperatur oder die Temperatur in der Nähe ICs, mit einer gewissen Toleranz darunter bleibt. Andernfalls verliert die Leiterplatte ihre mechanischen Eigenschaften und verhält sich nicht wie erwartet.

Es ist wichtig zu wissen, dass Tg kein Indikator für die thermische Leistung oder Lebensdauer ist; die Zersetzungstemperatur Td ist ein geeigneterer Parameter.

Das Glasfasergewebe

Die Glasfasern, aus denen FR-4 besteht, sind nicht immer gleich; tatsächlich gibt es viele Möglichkeiten, FR-4 zu weben! Man kann die Anzahl der Fasern in einem Strang variieren, die Dicke jedes Strangs (sie können „abgeflacht“ werden), den Abstand zwischen den Fäden und verschiedene Parameter für die x- und y-Achse (Schuss bzw. Kette).

Hinzu kommt, wie viele Fäden pro Dickeneinheit vorhanden sind. Das bedeutet, dass das Verhältnis von Glas zu Harz in unserem speziellen FR-4-Gewebe einen großen Einfluss auf den CTE-Wert und den Tg-Wert hat. Harz hat einen höheren CTE-Wert als Glas; Harz ist der Teil, der erweicht. Das ist aber noch nicht alles. FR-4 ist anisotrop: Es hat in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Eigenschaften. Zum Vergleich: Holz ist ein Beispiel für ein anisotropes Material mit und gegen seine Maserung. Auch die relative Dielektrizitätskonstante DK bzw. der εr-Wert ist bei FR-4 nicht einheitlich. Manchmal wird das als „Mikro-DK“ bezeichnet.

Was bedeutet es, wenn jede Stelle ein anderes Verhältnis und eine andere Dichte von Glas und Harz aufweist? Dies könnte sich auf die resultierende charakteristische Impedanz entlang der Leiterbahnen auswirken. Bei niederfrequenten Signalen ist das kein großes Problem, nur mit zunehmender Frequenz wird der Effekt, der auch mit der Glasgewebeverschiebung zusammenhängt, verstärkt. Das Problem spitzt sich zu, wenn das FR-4 die in Teil 1* erwähnten Fehler wie Measling, Blasenbildung, Rissbildung usw. aufweist.

Andere Basismaterialeigenschaften

FR4-Laminathersteller stellen eine Vielzahl von Spezifikationen zur Verfügung. Eine wichtige davon ist die Zersetzungstemperatur (Td), die definiert, bei welcher Temperatur das Material 5 Prozent seiner Masse verliert, was als Indikator für die thermische Stabilität des Materials bei Lötprozessen in der Bauteilebestückung gilt.Ein weiteres Leistungsmaß ist die Zeit bis zur Delamination, normalerweise angegeben für drei unterschiedliche Temperaturen: 260, 288 und 300 Grad Celsius (T260/T288/T300). Hierbei handelt es sich um die Dauer, nach der es bei den jeweiligen Temperaturen zu einer Delamination, also einer Trennung innerhalb des Laminats, kommt.

Ein besonderes Augenmerk gilt der Feuchtigkeitsempfindlichkeit von FR-4, da sie die Eigenschaften des Materials verändert. Bei erhöhter Feuchtigkeitsaufnahme steigen die relative Permittivität und die Glasübergangstemperatur des Materials, was zu diversen Problemen führen kann, einschließlich der Conductive Anodic Filamentation (CAF). Im FR-4-Datenblatt sollte die Feuchtigkeitsabsorption, wie in IPC-TM-650 2.6.2.1 definiert, angegeben sein.

Sowohl Leiterplattenhersteller als auch Baugruppenfertiger müssen diese Eigenschaften im Herstellungsprozess berücksichtigen. Ebenso ist es nach der Fertigung die Aufgabe der Entwickler, die Auswirkungen von Feuchtigkeit auf ihr Produkt während des Betriebs, Versands und der Lagerung zu überwachen und entsprechend zu handhaben.

Was das für Elektronikdesigner bedeutet

So sehr wir auch versucht sind, FR-4 als ein sortenreines, einheitliches Material zu betrachten, es ist es nicht: Es gibt viele Unterschiede in den Parametern zwischen allen FR-4-Typen, die Designern und Herstellern zur Auswahl stehen.Gute Hersteller beschäftigen sich mit vielen der potenziellen Probleme, die im Fertigungsprozess auftreten können, und wählen geeignete Materialien aus.

Diese Hersteller kontrollieren und optimieren den Fertigungsprozess, um solche Probleme zu vermeiden. Schließlich sind sie dafür verantwortlich, eine funktionierende, zuverlässige Leiterplatte zu liefern. Elektronikentwickler sollten sich mit dem Hersteller beraten, wenn eines der Probleme, die mit der Art oder Qualität des Laminats zusammenhängen, für Ihr Produkt relevant ist. Der Leiterplattenhersteller weiß, welches Material mit seinem Verfahren kompatibel ist.

Die Herausforderungen hören nicht mit der Leiterplattenfertigung auf. Es gibt zusätzliche Wärmezyklen während der Bestückung der Leiterplatte und beim Betrieb im Feld sowie Rework. Auch der Baugruppenfertiger muss die Eigenschaften des FR-4 der Leiterplatte berücksichtigen.

Entwickler sollten das FR-4, das der Leiterplattenhersteller verwendet, mit dem Baugruppenfertiger besprechen, um sicherzustellen, dass es kompatibel ist und den thermischen Prozessen standhält. Oder man entscheidet sich für einen Dienstleister, der den gesamten Fertigungsprozess kontrolliert. (mbf)

Vielen Dank an Alun Morgan, EIPC President and Ventec Techology Ambassador, für seine wertvollen Kommentare zu einem Entwurf dieses Artikels.

* *Saar Drimer ist selbständiger Hardwareentwickler mit eigenem Unternehmen und unterstützt Eurocircuits als freier Fachautor.

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