Basismaterial SR-4, Teil 1 Was PCB-Designer über FR-4 wissen sollten

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Kein Basismaterial wird so viel verwendet wie FR-4. Dabei ist das in Epoxidharz eingebettete Glasfasergewebe alles andere als unkompliziert. Wer zuverlässige Hardware konstruieren will, muss die Verarbeitungsprozesse und Eigenschaften des Materials kennen.

Die Laminatfamilie FR-4 ist das am häufigsten verwendete Ausgangsmaterial für Leiterplatten. Laminat bezeichnet die nichtleitenden Bestandteile einer Leiterplatte. In der Regel handelt es sich dabei um in Epoxidharz eingebettete gebündelte Glasfaserstränge. FR ist die Abkürzung FR flame retardant oder flame resistant und bedeutet, dass das Basismaterial flammhemmend bzw. flammfest ist. Die 4 bezeichnet einen bestimmten Typ.

FR-4 ist eine Materialkategorie, die von den 1960er Jahren bis heute von der NEMA definiert wurde; die entsprechende Norm spezifiziert die Leistungsanforderungen von FR-4, die sich im Laufe der Jahre erheblich weiterentwickelt haben.

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FR-4 ist nicht gleich FR-4. Denn FR-4 gibt es in verschiedenen Ausführungen und Stärken. Seine charakteristischen Eigenschaften sind kriechstromfest bzw. isolierend, mechanisch stabil und biegebelastbar, bis 100° C hitzebeständig und preisgünstig. Allerdings ist es bei Weitem kein einfaches, unkompliziertes Basismaterial, wie man vielleicht annehmen könnte.

Auch wenn sich viele Leiterplattendesigner dessen nicht bewusst sind; die Materialhersteller investieren ständig in die Forschung und Weiterentwicklung in diesen vermeintlich einfachen Baustein, um den steigenden Anforderungen der Elektronikindustrie gerecht zu werden. Das sind Verbesserungen in der Chemie und bei den Rohstoffen und vor allem Verbesserungen, um Produktionsschwankungen zu senken.

Schauen wir uns die Eigenschaften an, die FR-4 für uns erfüllen soll:

• Beständige, einheitliche und vorhersehbare Eigenschaften, auch nach mehreren Aufheiz- und Kühlzyklen, bei denen das Material weich wird, fließt und dann wieder aushärtet;

• Es muss weich genug sein, um winzige Lücken im Kupfer zu füllen, aber nicht so weich, dass es unter Druck vollständig entweicht;

• starke und dauerhafte Verbindungen, ähnlich wie Klebstoff, zwischen den Schichten des Aufbaus, also zwischen Laminaten, Kupfer und Lötstoppmaske schaffen und

• als starre Kerne und als sehr dünne Platten mit unterschiedlichen Fließeigenschaften und langer Haltbarkeit erhältlich sein.

Das sind ziemlich viele Anforderungen an ein Material.
Um zuverlässige Leiterplatten herstellen zu können, muss die Qualität der Rohstoffe gut sein und der Herstellungsprozess speziell auf das verwendete Laminat abgestimmt werden. Außerdem müssen die Materialeigenschaften so gewählt werden, dass der spätere Einsatzort der Leiterplatte berücksichtigt wird, z.B. wenn sie viele Wärme-Kälte-Zyklen durchläuft oder in Umgebungen mit hohen Temperaturen eingesetzt wird.

Im Folgenden erläutere ich die Qualitätskriterien von FR-4, damit sich Leiterplattendesigner potenzieller Problempunkte bewusst sind und sie mit ihren Herstellern besprechen können, um das beste Material für ihre Anwendung auszuwählen.

Online-Tool für den Lagenaufbau

Der Lagenaufbau oder Stack up ist einer der wichtigsten Parameter beim Leiterplatten­design und Aufgabe des Entwicklers. Der Lagenaufbau wird bestimmt von der Komplexität der Schaltung, der Auswahl der Bauteile und den elektrischen Anforderungen. Zur Konstruktion des Lagenaufbaus gehören die Auswahl der Dicke der Kupferschichten, den Eigen­schaften und der Dicke des verwendeten Isolationsmaterials und Anordnung der Lagen.

Eurocircuits bietet hierfür den Lagenaufbau Editor an. Die frei zugängliche Software bietet Leiterplattendesignern über 975 vordefinierte Standardaufbauten. Je nach Leiterplattendicke, Lagenanzahl und Typ zeigt der Lagenaufbau-Editor vordefinierte Lagenaufbauten an. Die Online-Preisberechnung hilft, die technisch und wirtschaftlich beste Lösung zu ermitteln.

www.eurocircuits.de/ec-smart-tools-user-guides/lagenaufbau-editor

Die Bestandteile der FR-4-Leiterplatte

Das Leiterplatten-Basismaterial FR-4 gibt es in zwei Hauptformen:

• Core, Kerne: ausgehärtetes Laminat mit (einer oder) zwei Kupferschichten auf der Oberfläche; das ist die Basis für die Herstellung einer zweilagigen Leiterplatte.

• Prepreg (kurz für preimpregnated, vorimprägniert): noch nicht vollständig ausgehärtete Epoxidharz-Laminatplatten; erst unter Druck und Hitze beim Verpressen wird das Epoxidharz klebend und verbindet die Laminate miteinander zum Multilayer.

Kerne und Prepregs gibt es in vielen Dicken, sodass die Hersteller unendlich viele Aufbauten fertigen können.

Hier ist eine sehr vereinfachte Beschreibung, wie Leiterplattenaufbauten, auch Build up oder Stack up genannt, hergestellt werden: Für doppelseitige Leiterplatten verwenden die Hersteller Kerne, aus denen in chemischen und mechanischen Prozessen die Leiterplatte hergestellt wird. Bei Multilayer mit vier oder mehr Lagen werden die Leiterplatten durch Stapeln von geätzten und ggf. gebohrten Kernen mit Prepreg-Folien (in der Regel zwei) zwischen ansonsten benachbarten Kupferlagen hergestellt.

Der Stapel wird erhitzt und gepresst, wobei das unausgehärtete Harz in den Prepregs schmilzt und sich in Lücken im Kupfer und Bohrungen drückt z.B. in Blind- und Burried Vias (Sacklöcher und vergrabene Durchkontaktierungen). Dadurch entsteht eine Verbindung, die sich unter den spezifizierten Einsatzbedingungen und der Lebensdauer des Materials niemals lösen sollte. Schließlich durchläuft der Stapel dieselben chemischen und mechanischen Prozesse wie eine zweilagige Leiterplatte.

Der so entstandene Stapel kann nun als Baustein für die Herstellung eines Aufbaus mit weiteren Schichten dienen, die mit weiteren Pressvorgängen zusammengefügt werden. Wir sprechen vom Multilayer

Manchmal hört man von Low-Flow- oder No-Flow-Prepregs, die, wie der Name schon sagt, nur so weit fließen, dass sie Schichten verbinden, aber nicht zum Füllen von Hohlräumen gedacht sind. Diese Art von Prepregs schrumpft (vertikal) oder dehnt sich (horizontal) während des Pressens des Stapels nicht wesentlich aus. Das ist z.B. bei Flex- und Semi-Flex-Leiterplatten nützlich, bei denen wir eine mechanische Begrenzung ohne Beschnitt beibehalten möchten.

Was in der Fertigung schiefgehen kann

Selbstverständlich muss der Leiterplattenhersteller, dafür zu sorgen, dass seine Prozesse genau auf die verwendeten Materialien abgestimmt sind, um zuverlässige Leiterplatten zu fertigen. Das beginnt schon in der Logistik, denn Prepreg hat eine begrenzte Haltbarkeit. Wenn die abgelaufen ist, beginnt es sich zu zersetzen. Die Leiterplattenhersteller müssen also sicherstellen, dass die Materialien „frisch“ sind und innerhalb der Spezifikationsgrenzen liegen.

Ein weiterer entscheidender Faktor ist das Kupfer im individuellen Leiterbild: mehr Kupfer, weniger Lücken, dickere Kupferschicht; weniger Kupfer, mehr Lücken, dünnere Schicht. Denken Sie beim Leiterplattendesign daran, dass das Harz in all die winzigen Lücken im Kupfer fließen muss, z.B. zwischen den Leiterbahnen der Differenzialpaare, damit die Leiterplatte richtig funktioniert.

Wird das nicht beachtet, kommt es zu Problemen: Lücken, die zu Impedanzfehlanpassungen führen, Ablösen des Kupfers vom Laminat (Delamination), ungleichmäßige Metallisierung der Bohrungen und vieles mehr.

Die IPC, IPC-A-600 und andere Stellen, erklärt in einigen Details, was bei FR-4 schiefgehen kann und was wir für die drei Leiterplattenklassen als „akzeptabel“ ansehen könnten. Hier sind einige dieser Fehler, die im Bild dargestellt sind:

• Measling: Trennung der Fasern an der Gewebekreuzung

• Rissbildung: Hohlräume zwischen Glasfasern innerhalb des Bündels (Garn)

• Delamination/Blistering: Trennungen im Basismaterial, zwischen einzelnen Gewebelagen (Lagen) oder zwischen Basismaterial, Kupferfolie oder Beschichtung, z.B. Lötstoppmaske

Die IPC spricht auch vom Freilegen des Gewebes an der Oberfläche:

• Freilegung des Gewebes: Die Glasfasern liegen frei, da kein Harz vorhanden ist.

• Gewebetextur: Die Glasfasern sind durch eine dünne Harzschicht sichtbar.

• Freigelegte oder unterbrochene Fasern.

Es gibt einen Grenzwert für die zulässigen metallischen oder nichtmetallischen Fremdeinschlüsse in einem Isoliermaterial. Und es gibt Grenzwerte für das Haloing, auch Hofbildung genannt, das eine raue Oberfläche durch mechanische Zerrüttung nach dem Bohren und Fräsen bezeichnet.

Das sind viele Dinge, die in der Leiterplattenfertigung schiefgehen können! Um zu verstehen, wie es zu diesen Fehlern kommen kann, erörtern wir im zweiten Teil die Eigenschaften von FR-4 und die Bedingungen, denen es bei der Verarbeitung zur elektronischen Baugruppe ausgesetzt ist.

Anmerkung des Autors: Vielen Dank an Alun Morgan, EIPC President and Ventec Techology Ambassador, für seine wertvollen Kommentare zu einem Entwurf dieses Artikels.  (jw)

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

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