Da bleifreies Löten zum weltweiten Standard wird, stehen klassische FR-4-Materialien vor neuen thermischen und Zuverlässigkeitsanforderungen. Um höhere Reflow-Temperaturen zu verkraften, sind die meisten Leiterplattenlaminathersteller von Dicyandiamid-(DICY-)Härtungssystemen auf phenolische oder alternative Härter umgestiegen. Diese neuen Lead-Free-FR-4-Materialien verändern nicht nur das thermische Verhalten, sondern beeinflussen auch die dielektrischen Eigenschaften – insbesondere bei hohen Frequenzen.
Dieser technische Beitrag zeigt, wie Härtungssysteme die elektrischen Eigenschaften von Lead-Free FR-4 beeinflussen, vergleicht DICY-gehärtete, phenolisch gehärtete und modifizierte nicht-DICY/nicht-phenolische Laminate und betrachtet deren Verhalten in High-Speed- und RF-Anwendungen.
Der Wechsel der Härtungssysteme bei Lead-Free FR-4
- DICY-gehärtete Epoxidsysteme (klassisch): Bieten eine niedrige Dielektrizitätskonstante (Dk) und einen niedrigen Verlustfaktor (Df) – ideal für die Signalintegrität.
- Phenolisch gehärtete Systeme: Gewähren bessere thermische Stabilität und Delaminationsbeständigkeit, zeigen jedoch höhere dielektrische Verluste bei hohen Frequenzen.
- Modifizierte Systeme (nicht-DICY / nicht phenolisch): Entwickelt, um hohe Tg mit ausgezeichnetem Hochfrequenz-Verhalten zu kombinieren und bleifreies Löten sicher zu unterstützen.
Obwohl phenolisch gehärtete Systeme die thermischen Anforderungen des bleifreien Lötens erfüllen, führt die andere Harzchemie typischerweise zu höheren Df-Werten als bei DICY-basierten Materialien. Bei niedrigen Frequenzen ist der Unterschied gering – steigt die Betriebsfrequenz in den GHz-Bereich, wirken sich diese Abweichungen deutlich auf Mismatch-/Impedanzkontrolle und Signalintegrität aus.
Vergleich der elektrischen Eigenschaften
Tabelle 6.8 vergleicht fünf FR-4-Laminate:
- A, C: Traditionelles FR-4, DICY-gehärtet
- B, D: Phenolisch gehärtetes, lead-free-taugliches FR-4
- E: Modifiziertes Lead-Free FR-4 (nicht-DICY/nicht phenolisch)
Bei identischen Prüfmethoden und Harzgehalten zeigen die Ergebnisse:
- Phenolisch gehärtete FR-4-Materialien besitzen bei hohen Frequenzen höhere Df-Werte als DICY-gehärtete.
- Material E erreicht gleiche oder bessere thermische Leistungsfähigkeit als phenolische FR-4 und gleichzeitig niedrigere Dk- und Df-Werte – sogar besser als traditionelles DICY-FR-4.
- Optimierte Harzsysteme können somit exzellente thermische Zuverlässigkeit mit verbesserten dielektrischen Eigenschaften in Lead-Free FR-4 vereinen.
Da Dk/Df je nach Messmethode, Harzgehalt und Verstärkung (Glasgewebe) variieren, ist der relative Trend in Tabelle 6.8 aussagekräftiger als absolute Zahlen.
Hochfrequenz-Verhalten von Dk und Df
Messungen mit getrenntem Hohlraum-Resonator zeigen bei hohen Frequenzen klare Tendenzen:
- Lead-Free FR-4 mit phenolischer Härtung weist über mehrere GHz höhere Dk- und Df-Werte auf als DICY-FR-4 mit hohem Tg.
- Phenolisch gehärtete Systeme zeigen eine breite Df-Streubreite, was auf eine stärkere Abhängigkeit von der Harzformulierung hinweist.
- Nicht-DICY/nicht-phenolische Materialien liefern niedrigere und stabilere Df-Werte bei leicht reduziertem Dk – ideal für High-Speed- und RF-Designs, die bleifreies Löten erfordern.
Kurz: Mit zunehmender Frequenz werden selbst kleine Unterschiede in Dk/Df kritisch für Impedanzgenauigkeit, Signaldämpfung und EMV.
Einfluss von Harzgehalt und Rezeptur auf Dk
Tabelle 6.9 führt Dk-Daten (2–5 GHz) für ein phenolisch gehärtetes FR-4 mit unterschiedlichen Harzgehalten und Rezepturen auf. Kernaussagen:
- Höherer Harzgehalt senkt in der Regel das Gesamt-Dk, da Epoxidharz eine geringere Dielektrizitätskonstante als Glasfasern hat.
- Verschiedene Harzrezepturen verursachen messbare Dk-Abweichungen (Einfluss von Vernetzungsdichte und Polymerstruktur).
- Für präzise Impedanzmodellierung müssen Entwickler mit gepressten Lagenaufbauten arbeiten – also realer Harzverteilung und Glasgewebe – statt nur mit Datenblatt-Nennwerten.
Verlustverhalten (Df) phenolischer FR-4
Tabelle 6.10 zeigt Df (2–5 GHz) für dieselben phenolischen Rezepturen:
- Df steigt mit der Frequenz leicht an.
- Änderungen des Harzgehalts führen zu spürbaren Df-Verschiebungen, was die Rolle der mikroskopischen Harzstruktur bei Polarisationsverlusten belegt.
- Für DDR5, PCIe Gen5/6 oder 5-GHz-WLAN ist die Wahl eines Lead-Free FR-4 mit niedrigem Df entscheidend, um Signalhub und Augenöffnungen zu erhalten.
Nicht-DICY/nicht-phenolische Materialien bei 10 GHz
Tabellen 6.11 und 6.12 fassen Daten modifizierter nicht-DICY/nicht-phenolischer Materialien bei 10 GHz zusammen:
- Die Laminate halten niedrige, stabile Df-Werte und ein konstantes Dk auch bei sehr hohen Frequenzen.
- Gegenüber konventionellem FR-4 mit hohem Tg bieten sie geringere Signaldämpfung und präzisere Phasenkontrolle.
- Ideal für 5G-Basisstationen, Automobil-Radar und Hochgeschwindigkeits-Rechnerboards im bleifreien Lötprozess.
Wichtigste Erkenntnisse & Design-Leitlinien
Das Härtungssystem bestimmt das elektrische Verhalten
- Phenolisch gehärtete Materialien sind thermisch robust, jedoch mit höherem Df.
- Modifizierte, nicht-DICY/nicht-phenolische Systeme balancieren Wärmebeständigkeit und elektrische Performance für Lead-Free FR-4.
Hochfrequenz verstärkt Unterschiede
- Über 2 GHz beeinflussen selbst kleine Änderungen in Dk/Df Impedanz und Dämpfung deutlich.
Konstante Prüfbedingungen sind essenziell
- Materialien nur unter gleichen Methoden und Harzgehalten vergleichen. Auf Trends statt auf absolute Zahlen achten.
Mit Materiallieferanten zusammenarbeiten
- Frequenzabhängige Dk/Df-Kurven für den gepressten Stackup anfordern, um SI-Simulationen realistisch zu halten.
Fazit
Der Umstieg auf bleifreies Löten hat die Chemie von FR-4-Laminaten neu definiert. Moderne Lead-Free FR-4 sind keine Einheitsmaterialien mehr – sie unterscheiden sich deutlich in Harzsystem, dielektrischer Stabilität und Hochfrequenzverlusten.
Der Trend ist klar: hin zu FR-4 mit hohem Tg und niedrigem Df, das bleifreies Löten unterstützt. Modifizierte nicht-DICY/nicht-phenolische Laminate bilden die nächste Generation – sie kombinieren die thermische Belastbarkeit für bleifreies Reflow mit der elektrischen Spitzenleistung, die heutige Multi-Gigabit-Designs verlangen.
