DFM 101: PCB-Materialien

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Einführung Eine der größten Herausforderungen für PCB-Designer besteht darin, die Kostentreiber im PCB-Herstellungsprozess zu verstehen. Dieser Artikel ist der erste einer Reihe, in der diese Kostentreiber (aus Sicht des Leiterplattenherstellers) und die Designentscheidungen, die sich auf die Produktzuverlässigkeit auswirken, erörtert werden.

DFM Unter Design for Manufacturing (DFM) versteht man die Praxis, Leiterplatten zu entwerfen, die nicht nur den Fähigkeiten des Baugruppenherstellungsprozesses des Kunden, sondern auch den Fähigkeiten des Leiterplattenherstellungsprozesses zu möglichst geringen Kosten entsprechen. Diese Artikel stellen zwar keinen Ersatz für eine frühzeitige Zusammenarbeit mit dem PCB-Hersteller beim Design dar, bieten jedoch Richtlinien, die Ihnen dabei helfen, „erfolgsorientiertes Design“ zu entwickeln.

Standard-Mehrschichtmaterialien Die meisten Leiterplatten werden aus Epoxidglas-Dielektrika (FR-4) und Kupferfolie hergestellt. Leiterplatten bestehen aus drei Grundmaterialtypen: Kupferfolie, Prepreg und Kerne.

Abbildung 1: Ein Beispiel für ein vollständig ausgehärtetes Glas-Epoxid-Material mit beidseitiger Kupferlaminat.

Hochfrequenzmaterialien (RF/Mikrowelle). Hochfrequenzdesigns (1 GHz und mehr) erfordern Materialien mit genau kontrollierten Dielektrizitätskonstanten und Verlustfaktoren. Die normalerweise für Leiterplatten verwendeten FR-4-Materialien verfügen nicht über die gewünschten kontrollierten Eigenschaften. Die für Hochfrequenzanwendungen verwendeten Substratmaterialien basierten ursprünglich auf PTFE-Harzformulierungen, die die gewünschten Eigenschaften hatten, dh eine auf ±0,04 kontrollierte Dielektrizitätskonstante und einen Verlustfaktor von 0,0004. Diese Werte können je nach Materialart und Lieferant etwas variieren. Heutzutage gibt es eine Reihe von Materialien auf dem Markt, die kein PTFE enthalten, aber dennoch kontrollierte Werte aufweisen, die für Hochfrequenzanwendungen verwendet werden können.

Materialtypen Es gibt drei grundlegende Materialtypen: Glasvlies, Glasgewebe und gefülltes Glas. Militärische Spezifikationsbezeichnungen sind GR (Vlies) und GT, GX und GY (gewebt). Gefülltes Material hat keine Bezeichnung.

Vliesstoffe enthalten eine Dispersion von Glasmikrofasern im Substrat. Dies sind typischerweise Materialien mit niedrigen Dielektrizitätskonstanten (2,20–2,35). Sie funktionieren sehr gut bei höheren Frequenzen, da der Verlustfaktor gering ist.

Kupferfolientypen Es stehen zwei Arten von gebundener Kupferfolie zur Verfügung; galvanisch abgeschieden (ED) und gewalzt geglüht (RA). Der Unterschied zwischen diesen Folien besteht im Herstellungsprozess und der Behandlung auf der Rückseite zur Verbesserung der Klebehaftung.

1. Galvanisch abgeschiedenes Kupfer (ED) wird durch Elektroplattieren von Kupfer auf einer rotierenden Trommel hergestellt, was zu einer vertikal ausgerichteten Kornstruktur führt (Abbildung 2). Gegenüber der Trommeloberfläche ist die Kupferbeschichtung rau, fast wie „Zähne“, und wird durch weitere Behandlung verstärkt. Die Zähne bieten eine höhere Schälfestigkeit, können jedoch aufgrund der Tiefe der Zähne zu höheren Leiterverlusten bei Hochfrequenz führen.

Abbildung 2: Galvanisiertes Kupfer, hergestellt durch Galvanisieren auf einer rotierenden Trommel.

2. Walzgeglühtes Kupfer (RA) wird durch Walzen eines Barrens zu sehr dünnen Folien hergestellt. Die Kornstruktur ist horizontal ausgerichtet. Das Walzen verursacht Spannungen in der Folie und muss wärmegeglüht werden, um die Spannungen zu beseitigen. Walzgeglühtes Kupfer weist auf jeder Seite die gleiche Oberfläche auf, was eine künstlich erzeugte Verzahnung auf der Rückseite erfordert. Diese Zähne sind etwa halb so tief wie das galvanisch abgeschiedene Kupfer. Dies führt dazu, dass gewalzgeglühtes Kupfer etwa die Hälfte der Schälfestigkeit aufweist wie galvanisch abgeschiedenes Kupfer. Dies bedeutet, dass gewalztes Kupfer bei Frequenzen über 13 GHz eine bessere Leistung erbringt.

Abbildung 3: Walzgeglühtes (RA) Kupfer wird durch Walzen eines Barrens zu sehr dünnen Folien hergestellt.

Die Schälfestigkeit ist die Kraft in Pfund pro Zoll, die aufgebracht werden muss, damit sich ein 1 Zoll breiter Streifen der Kupferfolie vom Substrat ablöst. Typische Werte für galvanisch abgeschiedenes (ED) 1-Unzen-Kupfer liegen bei 9–11 Pfund pro Zoll und gewalzgeglühtes (RA) 1-Unzen-Kupfer bei 4–6 Pfund pro Zoll. Je schmaler die Leiterbahnen werden, desto geringer ist die Schälfestigkeit. Daher ist beim Löten und Bonden an schmalen Leiterbahnen mehr Sorgfalt erforderlich.

Die Rauheit der Kupferoberfläche ist für Hochfrequenzanwendungen von entscheidender Bedeutung, da sich die Rauheit der Kupferoberfläche auf den Leiterverlust auswirkt. Bei hohen Signalfrequenzen konzentriert sich der Strom in einem Leiterplatten-Kupferkreis in einer kleinen Tiefe nahe seiner Oberfläche, was als Skin-Effekt oder Skin-Tiefe bezeichnet wird. Die Eindringtiefe ist ein Maß dafür, wie (und wo) die elektrische Leitung in einem Leiter stattfindet, und ist eine Funktion der Frequenz.

Mit anderen Worten: Für Hochfrequenzanwendungen gilt: Je glatter die Kupferoberfläche, desto besser. Die Leitung des Stromkreises erfolgt an der Oberfläche, die dem Dielektrikum am nächsten liegt, von dem aus sich die EM-Welle ausbreitet, d. h. an der unteren Kupferoberfläche, die bei einem Mikrostreifendesign am Laminat anliegt.

Abbildung 4: Je glatter die Kupferoberfläche, desto besser.

Metallkern- und IMPCB-Materialien Isolierte Metallleiterplatten (IMPCB) oder Metallkern-Leiterplatten sind Wärmemanagement-Designs, die eine Schicht aus massivem Metall verwenden, um die von den verschiedenen Komponenten auf den Leiterplatten erzeugte Wärme abzuleiten. Wenn Metall auf einer Leiterplatte befestigt wird, kann das Verbindungsmaterial entweder wärmeleitend, aber elektrisch isolierend sein, oder im Fall von HF-/Mikrowellenschaltungen kann das Verbindungsmaterial sowohl elektrisch als auch thermisch leitend sein. In diesen Anwendungen werden zwei gängige Metalle verwendet: Kupfer und Aluminium. Welche zu verwenden ist, hängt von der Anwendung unter Berücksichtigung von Kosten, Gewicht und thermischen Eigenschaften ab. Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften der verschiedenen Grundmetalle.

Tabelle 1: Eine Liste verschiedener Eigenschaften einiger Metallbasismaterialien.

Eingebettete Kapazitätsmaterialien Das eingebettete Kapazitätsmaterial besteht aus einer sehr dünnen Schicht aus mit Keramik gefülltem Epoxidharz, das zwischen zwei Schichten Kupferfolie eingelegt ist. Es kann als Strom- und Masseebenenpaar für ein Stromverteilungsnetzwerk mit niedrigerer Impedanz und gemeinsamer Kapazität aufgebaut werden. Der größte Designvorteil besteht darin, dass die nutzbare Leiterplattenfläche vergrößert wird, da viele, wenn nicht alle Kondensatoren mit einer Kapazität von 0,1 μF oder weniger und die dazugehörigen Lötstellen und Durchkontaktierungen entfernt werden können. Zu den weiteren Vorteilen gehören:

Eingebettete Widerstandsmaterialien Eingebettete Widerstände sind planare Widerstandselemente, die zu einem dünnen Film verarbeitet werden. Dieser Widerstandstyp wird Teil der geätzten und gedruckten Schaltung auf der Standard-Leiterplattenschicht, da keine Lötverbindungen erforderlich sind.

Zu den weiteren Vorteilen gehören:

Abschluss Wie Sie sehen, gibt es viele Herstellungsfaktoren, die zu den Endkosten jeder Leiterplatte beitragen. Der heutige PCB-Designer muss über ein umfassendes Verständnis dieser Kostentreiber sowie der vielen Kompromisse verfügen, die mit der Verwaltung dieser Faktoren in jedem Design verbunden sind. Seien Sie gespannt auf Teil 2 dieser Serie.

Anaya Vardya ist Präsidentin und CEO von American Standard Circuits; Co-Autor von „The Printed Circuit Designer's Guide to… Fundamentals of RF/Microwave PCBs and Flex and Starr-Flex Fundamentals“; und Autor von Thermal Management: A Fabricator's Perspective. Besuchen Sie I-007eBooks.com, um diese und andere kostenlose Bildungstitel herunterzuladen. Er ist außerdem Co-Autor von „Fundamentals of Printed Circuit Board Technologies“.