Obwohl in Substraten viele verschiedene Verstärkungsmaterialien eingesetzt werden, ist schlicht gewebtes Glasgewebe (aus Glasfasern gewebt) mit großem Abstand am weitesten verbreitet. Weitere Materialien sind Papier, Zellophan, nicht gewebte Aramidfasern, nicht gewebtes Glas sowie diverse Füllstoffe. Glasgewebe bietet mehrere Vorteile: hervorragende mechanische und elektrische Eigenschaften, Eignung zur Herstellung von Laminaten in einem breiten Dickenspektrum und vergleichsweise geringe Kosten.
Gewebte Glasfaser
Gewebte Glasfaser ist die am häufigsten verwendete Verstärkung in der Leiterplattenfertigung. Sie entsteht durch Schmelzen anorganischer Rohstoffe, Ausziehen zu Filamenten, Verspinnen zu Garn und anschließendes Weben zu Glasgewebe. Am weitesten verbreitet ist E-Glas, da es ausgewogene Eigenschaften zu moderaten Kosten bietet. NE-Glas und L-Glas sind verbesserte Varianten mit geringerer Dielektrizitätskonstante und kleinerem Verlustfaktor, allerdings zu höheren Kosten. S-Glas liefert höhere Festigkeiten, ist jedoch in der Verarbeitung anspruchsvoller.
Glasgewebe
Glasgewebe zählt zu den gängigsten Verstärkungsmaterialien in Leiterplattensubstraten. Seine Leistung wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter die chemische Zusammensetzung des E-Glases, der Filamentdurchmesser, der Garntyp und die Bindungsart (Gewebestruktur). Unterschiedliche Gewebestrukturen führen zu Abweichungen in Dicke, Dichte und mechanischem Verhalten, die wiederum die mechanische Festigkeit und die elektrischen Eigenschaften einer Leiterplatte beeinflussen.
In der Leiterplattenfertigung handelt es sich bei Glasgewebe fast immer um E-Glas in Leinwandbindung, bei der die Kettfäden abwechselnd über und unter den Schussfäden verlaufen. Diese Struktur verhindert effektiv das Verrutschen der Garne und verbessert die Maßstabilität. Übliche Gewebestile (z. B. 1080, 2116, 7628) besitzen bei gleichem Harzgehalt unterschiedliche Nenndicken; die Wahl des passenden Gewebetyps und der Dicke ist entscheidend für die Impedanzkontrolle und das Gesamtdesign der Leiterplattendicke.
Zur besseren Verarbeitung und Zuverlässigkeit wird Glasgewebe während der Produktion typischerweise mit einem Silan-Haftvermittler behandelt. Diese Organosilane verbessern die Benetzung und die interlaminare Haftung, sodass das Laminat beim Bohren und unter hoher Luftfeuchte stabil bleibt. Haftvermittler unterdrücken außerdem wirksam CAF (Conductive Anodic Filaments – leitfähige anodische Filamente) und verlängern so die Lebensdauer der Leiterplatte.
Weitere Verstärkungsmaterialien
Obwohl gewebtes Glasgewebe das primäre Verstärkungsmaterial in Leiterplatten ist, werden auch andere Materialien – oder Hybridkombinationen mit Glasfasern – häufig eingesetzt. Nachfolgend einige alternative Verstärkungsmaterialien:
Glasmatte (Nichtgewebtes Glas)
Glasmatte ist ein nichtgewebtes Verstärkungsmaterial mit zufälligerer Faserorientierung als klassisches Glasgewebe. Sie entsteht, indem Glasfasergarn abgeschreckt bzw. abgekühlt, in etwa 2,5–5 cm lange Stränge gestreckt und dann fortlaufend in zufälligen, spiralförmigen Richtungen abgelegt wird. Glasmatten werden typischerweise als Kernlage in CEM-3-Substraten eingesetzt und eignen sich für allgemeine Elektronik, bei der die Anforderungen geringer sind.
Nylonfaser
Im Gegensatz zu anorganischen Glasfasern werden Nylonfasern aus organischen Verbindungen wie Aramid (aromatisches Polyamid) hergestellt und bieten besondere Leistungsmerkmale. In Hochleistungs-Leiterplatten oder MCM-L (Multi-Chip-Module-Laminaten) werden Nylonfasern geschätzt für:
- gute Bearbeitbarkeit per Plasma- oder Laserablation, ideal für Mikrovia-Bohrungen,
- geringes Gewicht und hohe Festigkeit zur Verbesserung der strukturellen Stabilität,
- negative axiale CTE (Wärmeausdehnungskoeffizient) zur Verringerung thermischer Spannungen. Diese Eigenschaften machen Nylonfasern zu einer starken Alternative zu Glasfasern in Hochfrequenz- und miniaturisierten Leiterplattendesigns.
Lineare, kontinuierliche Glasfilamente
Der Einsatz linearer, kontinuierlicher Glasfilamente als Verstärkung für Laminate ist eine besondere, spezialisierte Technik. Das resultierende Laminat besteht aus drei Schichten Glasfilamenten: Die äußeren Lagen sind parallel zueinander ausgerichtet, die mittlere Lage steht senkrecht dazu. Bei gleicher Anzahl kontinuierlicher Filamente in jeder Richtung steigert diese Verstärkungsstruktur die Maßstabilität des Laminats deutlich.
Papier
Faserpapier kann ebenfalls als Verstärkungsmaterial in Substraten verwendet werden. Es kommt allein oder kombiniert mit anderen Materialien wie Glasgewebe zum Einsatz, um eine Verbundverstärkung zu bilden. Diese Art von Verbund lässt sich nur stanzen, nicht bohren, was sie für hochvolumige, einfache Konsumelektronik wie Radios, Spielzeug, Taschenrechner und Videospielkonsolen wirtschaftlich und praktikabel macht. Papierbasierte Verstärkungen werden vor allem in FR-2- und FR-3-Materialien sowie als Kernlage von CEM-1 genutzt.
Füllstoffe
Füllstoffe sind feine anorganische Partikel, die Harzen zugesetzt werden, um Materialeigenschaften gezielt einzustellen. Gängige Typen sind Talkum, Silica, Kaolin und hohle Glasmikrosphären. Bei geeigneter Füllgradeinstellung und Dispersion können Füllstoffe zahlreiche Leistungsaspekte von Leiterplattensubstraten deutlich verbessern. In Hochleistungs-Leiterplattenmaterialien werden Füllstoffe typischerweise eingesetzt, um:
- die Dielektrizitätskonstante (Dk) zu reduzieren – für bessere High-Speed- und Hochfrequenz-Signale,
- den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zu steuern – für geringere Zwischenlagenspannungen und höhere Zuverlässigkeit,
- die Bohrbarkeit zu verbessern – für minimale Lochwandschädigungen in der Verarbeitung,
- die Maßstabilität zu erhöhen und die Kosten zu senken. Insbesondere beim bleifreien Löten tragen Füllstoffe zur Verringerung der Z-Achsen-Ausdehnung bei und reduzieren so Spannungen und Verformungen an durchkontaktierten Bohrungen (PTH) bei erhöhten Temperaturen.
Expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE)
Expandiertes PTFE (ePTFE) ist ein mikroporöses Material, das – obwohl üblicherweise nicht als Verstärkung klassifiziert – dank seiner schwammartigen Struktur eine herausragende Leistung bei ultraniedriger Dielektrizitätskonstante und geringen Signaldämpfungen bietet. ePTFE wird häufig mit Harz zu Prepregs im B-Stadium verarbeitet, die zum Verkleben der Lagen in Multilayer-Leiterplatten dienen. Diese Prepregs kommen weit verbreitet in Hochfrequenzschaltungen zum Einsatz, einschließlich RF- und Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsgeräten.
Fazit
Verstärkungsmaterialien sind ein zentraler Faktor für die Leistung von Leiterplatten. Sie liefern nicht nur strukturelle Unterstützung, sondern beeinflussen auch elektrische Eigenschaften, thermische Stabilität und Gesamtzuverlässigkeit. Von gängigem E-Glasgewebe bis hin zu funktionalen Optionen wie Füllstoffen und expandiertem PTFE kann die richtige Auswahl und Anwendung der Materialien die Leiterplattenperformance deutlich verbessern. Ein fundiertes Verständnis ihrer Eigenschaften und Einsatzfelder hilft Ingenieurinnen und Ingenieuren, qualitativ hochwertigere und zuverlässigere Leiterplatten zu entwickeln.
