Leitfaden für die Auswahl von PCB-Materialien: Wie Sie FR-4, High-Tg & mehr richtig wählen

Die Wahl des richtigen Materials ist eine der wichtigsten Entscheidungen in jedem Projekt mit einer kundenspezifischen Leiterplatte (Custom PCB). Das Material bestimmt nicht nur, wie robust die Platine ist – es beeinflusst auch Signalintegrität, Wärmeableitung, Langzeitzuverlässigkeit, Fertigbarkeit und letztlich die Gesamtkosten.

Dieser Leitfaden macht die komplexe Welt der Custom-PCB-Materialien greifbar und liefert eine praktische Orientierung, wenn Sie zwischen FR-4, High-Tg, Low-Loss-Materialien und Metallkern-Substraten wählen müssen.

Was bedeutet „Custom PCB Material“ eigentlich?

Wenn Ingenieur:innen von „custom PCB materials“ sprechen, meinen sie nicht eine einzelne exotische Laminat-Sorte. Gemeint ist eine bewusst zusammengestellte Material-Stack-up-Struktur, die die elektrischen, thermischen, umwelttechnischen und mechanischen Anforderungen eines Projekts erfüllt.

Eine kundenspezifische Auswahl von PCB-Materialien umfasst Entscheidungen über:

• Kernmaterial (Laminat-Typ)
• Prepreg-Schichten (Verbund-/Bonding-Schichten)
• Art und Gewicht der Kupferfolie
• Gesamtstärke und Lagenaufbau (Stack-up)
• Kompatibilität mit der gewünschten Oberflächenbeschichtung (Surface Finish)
• Thermische und mechanische Randbedingungen
• Anforderungen an Signalintegrität und Impedanzkontrolle

Da unterschiedliche Kombinationen dieser Materialien das Verhalten einer Leiterplatte drastisch verändern können, bedeutet „custom“ im Grunde: die passende Kombination bewusst auswählen – statt blind auf einen Standard zu setzen.

Aus welchen Materialien besteht eine Leiterplatte?

Bevor man Materialien auswählt, hilft es, die drei Grundbausteine jeder Leiterplatte zu verstehen.

1. Prepreg

Prepreg ist Glasfasergewebe, das mit Harz imprägniert, aber noch nicht vollständig ausgehärtet ist. Während des Laminierens schmilzt das Prepreg und verbindet die Kupferlagen und Kerne miteinander. Seine Harzmenge, Dicke und Fließeigenschaften bestimmen u. a.:

• den dielektrischen Abstand zwischen den Lagen
• die Laminier- bzw. Verbundfestigkeit
• die Impedanzkontrolle
• die strukturelle Stabilität der Platine

2. Kern (Copper-Clad Laminate / CCL)

Der Kern ist ein vollständig ausgehärtetes Glasfaser-Epoxid-Laminat, beidseitig mit Kupfer beschichtet. Er sorgt für:

• die mechanische Grundstruktur der Leiterplatte
• elektrische Isolation
• Maßstabilität

Verschiedene Kernmaterialien – etwa FR-4, High-Tg-FR-4, PTFE, keramisch gefüllte Laminate oder Metallkern-Materialien – decken unterschiedliche Leistungsanforderungen ab.

3. Kupferfolie (Copper Foil)

Die Kupferfolie bildet die Leiterbahnen (Traces). Wichtige Aspekte sind:

• Kupfergewicht (½ oz, 1 oz, 2 oz usw.)
• Gefügestruktur (beeinflusst Signalverluste)
• Eignung für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Anwendungen

Zusammen bestimmen Prepreg, Kern und Kupfer die elektrischen und mechanischen Eigenschaften Ihrer kundenspezifischen Leiterplatte.

Warum Materialauswahl in der PCB-Fertigung so wichtig ist

Die Wahl des passenden Materials beeinflusst nahezu jeden Aspekt der Funktionalität und Fertigung einer Leiterplatte.

1. Elektrische Performance

Materialien definieren:

• Signallaufzeit (Signal Propagation Speed)
• Einfügedämpfung / Signalverlust (Insertion Loss)
• Übersprechen (Crosstalk)
• Stabilität der Impedanz

Gerade Hochfrequenz- und High-Speed-Designs sind stark auf dielektrische Materialien mit geringen Verlusten (Low-Loss) angewiesen.

2. Thermisches Verhalten

Schlechte thermische Eigenschaften führen häufig zu:

• Delamination (Ablösen von Lagen)
• sich lösenden Pads
• rissigen Vias
• verkürzter Lebensdauer von Bauteilen

High-Tg-Materialien und Metallkern-Platinen verbessern die thermische Belastbarkeit deutlich.

3. Mechanische Stabilität

Die Stabilität des Materials unter Hitze und Feuchtigkeit wirkt sich aus auf:

• Maßhaltigkeit / Dimensionsstabilität
• Lagenversatz und Registrierung
• Zuverlässigkeit unter thermischen Zyklen

4. Fertigbarkeit (Manufacturability)

Manche Materialien:

• benötigen längere Laminierzyklen
• sind schwieriger zu bohren
• erfordern engere Prozesskontrolle
• sind nur eingeschränkt verfügbar

Das beeinflusst Kosten und Lieferzeiten.

5. Gesamtkosten über den Lebenszyklus

Ein günstiges Material kann im Prototyp funktionieren, in der realen Anwendung jedoch versagen. Umgekehrt ist ein sehr leistungsstarkes Laminat möglicherweise überdimensioniert und zu teuer, wenn die Anwendung es nicht wirklich benötigt.

Die 6 wichtigsten Materialeigenschaften von PCBs

Diese Eigenschaften sollten Entwickler:innen im Blick haben, wenn sie kundenspezifische PCB-Materialien auswählen.

1. Dielektrizitätskonstante (Dk)

Die Dielektrizitätskonstante bestimmt:

• die Signallaufzeit auf der Leiterplatte
• die Genauigkeit der kontrollierten Impedanz

Niedrigere Dk-Werte unterstützen schnellere Signale und eine präzisere Impedanzkontrolle – wichtig für High-Speed-Leitungen.

2. Verlustfaktor (Dissipation Factor – Df)

Der Verlustfaktor – auch Loss Tangent genannt – misst, wie viel Energie in der dielektrischen Schicht verloren geht.

Ein niedriger Df bedeutet geringere Dämpfung und ist entscheidend für Hochgeschwindigkeits- und RF-Designs.

3. Glasübergangstemperatur (Glass Transition Temperature – Tg)

Die Tg ist die Temperatur, bei der das Laminat vom glasigen in einen weicheren, gummiartigen Zustand übergeht.

Eine höhere Tg verbessert:

• die Wärmebeständigkeit
• die Maßstabilität
• die Beständigkeit gegenüber Reflow-Lötprozessen

4. Wärmeausdehnungskoeffizient (Coefficient of Thermal Expansion – CTE)

Der CTE beschreibt, wie stark sich ein Material bei Erwärmung ausdehnt.

Ein niedriger CTE sorgt für:

• zuverlässigere Vias
• geringeres Risiko der Delamination
• bessere mechanische Stabilität

5. Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit ist entscheidend für:

• Leistungselektronik
• LED-Anwendungen
• Bereiche mit hoher Leistungsdichte

Metallkern-Materialien sind FR-4 in dieser Kategorie deutlich überlegen.

6. Feuchtigkeitsaufnahme

Eine hohe Feuchtigkeitsaufnahme kann zu folgenden Problemen führen:

• verschlechterte dielektrische Eigenschaften
• Verzug und Maßänderungen
• reduzierte Langzeitzuverlässigkeit

Materialien wie PTFE und moderne High-Speed-Laminat-Systeme schneiden hier in der Regel besser ab als klassisches FR-4.

Die vier wichtigsten Arten von Custom-PCB-Materialien

Anstatt Dutzende Laminat-Typen aufzuzählen, konzentrieren wir uns auf vier Kategorien, die etwa 95 % der realen Anwendungsfälle abdecken.

1. Standard-FR-4

FR-4 ist das am weitesten verbreitete PCB-Material – kostengünstig, vielseitig und mit nahezu allen Fertigungsverfahren kompatibel.

Ideal für:

• Unterhaltungselektronik
• Industriesteuerungen
• kostenkritische Designs
• digitale Signale mit niedriger bis mittlerer Geschwindigkeit

Einschränkungen:

• höhere dielektrische Verluste
• begrenzte Hochtemperatur-Tauglichkeit
• nicht ideal für RF- oder sehr schnelle High-Speed-Signale

2. High-Tg-FR-4

High-Tg-Materialien (typisch 170–180 °C oder höher) bieten bessere thermische Stabilität als Standard-FR-4.

Ideal für:

• mehrlagige Leiterplatten
• hochdichte Baugruppen (HDI)
• Automotive-, Luft- und Raumfahrt- sowie industrielle Anwendungen
• Lötprozesse mit hohen Reflow-Temperaturen (z. B. bleifreies Löten)

Vorteile:

• verbesserte mechanische Festigkeit
• höhere Zuverlässigkeit bei thermischen Zyklen
• geringeres Risiko der Delamination

3. Low-Loss- / High-Speed-Materialien

Diese Materialien kommen zum Einsatz, wenn Signalintegrität oberste Priorität hat.

Typische Vertreter:

• FR-4-Mischungen mit geringem Verlust
• Kohlenwasserstoff- / Keramiklaminate
• PTFE-Materialien (z. B. bestimmte Rogers-Typen)

Ideal für:

• Hochgeschwindigkeits-Digitaldesigns (10 Gbps und mehr)
• RF- und Mikrowellenschaltungen
• Telekommunikations- und Netzwerktechnik
• IoT-Geräte mit hohen Betriebsfrequenzen

4. Metallkern-PCB-Materialien (Metal-Core)

Meist handelt es sich um Aluminium-Kerne, es gibt aber auch Varianten mit Kupferkern.

Ideal für:

• LED-Beleuchtung mit hoher Leistung
• Leistungs-Module und Treiber
• Motorsteuerungen
• Stromversorgungen mit hoher Leistungsdichte

Vorteile:

• exzellente Wärmeableitung
• hohe Steifigkeit
• deutlich besserer thermischer Pfad von den Bauteilen zum Kühlkörper bzw. Gehäuse

FR-4 vs. High-Tg vs. Low-Loss vs. Metallkern – im Vergleich

Zusammengefasst lassen sich die Materialien wie folgt einordnen:

• FR-4
• Gute Allround-Eigenschaften
• Mittlere thermische Performance
• Geringe Kosten
• Geeignet für Consumer- und einfache Industrie-Anwendungen
• High-Tg-FR-4
• Elektrisch ähnlich wie FR-4, aber stabiler
• Hohe thermische Belastbarkeit
• Mittlere Kosten
• Ideal für Automotive, Industrie und mehrlagige Platinen
• Low-Loss-Materialien
• Hervorragende elektrische Eigenschaften, minimaler Signalverlust
• Mittlere thermische Performance
• Höhere Kosten
• Optimal für High-Speed- und RF-Designs
• Metallkern-Materialien
• Elektrisch weniger ideal für RF, Fokus eher auf Mechanik & Thermik
• Sehr hohe Wärmeleitfähigkeit
• Kosten im mittleren bis höheren Bereich
• Perfekt für LED-Anwendungen und Leistungselektronik

Wie wählt man PCB-Materialien je nach Anwendung?

Unterschiedliche Branchen setzen unterschiedliche Schwerpunkte. Hier einige klare Empfehlungen für typische Szenarien.

1. Allgemeine Elektronik / Consumer-Produkte

• Standard-FR-4 ist für die meisten Platinen ausreichend.
• High-Tg-FR-4 ist sinnvoll bei mehrlagigen oder sehr dichten Designs.
• Wenn Hochgeschwindigkeits-Interfaces (z. B. USB 3.0, HDMI, PCIe) eingesetzt werden, sollte man über Low-Loss-Materialien nachdenken.

2. Industrie-Umgebungen und hohe Temperaturen

• Bevorzugt wird High-Tg-FR-4.
• Ein niedriger CTE ist wichtig für wiederholte thermische Zyklen.
• Für hohe Ströme kann eine höhere Kupferdicke sinnvoll sein.

3. Hochgeschwindigkeits-Digital- & Kommunikations-Hardware

• Low-Loss-Materialien sind hier praktisch Pflicht.
• Dk und Df müssen über den relevanten Frequenzbereich stabil sein.
• Glatte Kupferfolien helfen, Einfügedämpfung und Verluste zu reduzieren.

4. RF- / Mikrowellen-Schaltungen

• PTFE- oder keramisch gefüllte Laminate sind erste Wahl.
• Sehr niedriger Df ist entscheidend.
• Enge Toleranzen bei Impedanz und Materialparametern sind nötig.

5. Leistungselektronik & thermisch kritische LED-Anwendungen

• Metallkern-Substrate bieten klare Vorteile.
• Hohe Wärmeleitfähigkeit sorgt für bessere Kühlung.
• Temperaturspitzen im Layout lassen sich effizienter abführen.

Wie beeinflusst die Materialwahl Kosten und Lieferzeiten?

Viele Entwickler unterschätzen, wie stark Materialien die Produktionslogistik beeinflussen.

1. Verfügbarkeit

Standard-FR-4 ist fast überall auf Lager und ermöglicht kurze Lieferzeiten.
Low-Loss- und Spezialmaterialien erfordern dagegen oft:

• gesonderte Bestellungen beim Lieferanten
• längere Aushärtungs- oder Laminierzyklen
• spezielle Prozessschritte in der Fertigung

2. Fertigbarkeit

Exotische Materialien können Probleme verursachen, z. B.:

• strengere Anforderungen beim Bohren
• höhere Laminier-Temperaturen
• längere Presszyklen
• erhöhtes Risiko für Ausschuss

3. Prototyp vs. Serienfertigung

Manche Materialien eignen sich gut für Prototypen, sind aber in großen Stückzahlen schwer oder teuer zu beschaffen.

Um spätere Redesigns zu vermeiden, sollten Sie von Anfang an Materialien wählen, die sowohl für Prototypen als auch für Serienproduktion verfügbar sind.

Häufige Fehler bei der Auswahl von PCB-Materialien

• FR-4 als Standard für High-Speed-Designs, ohne Signal- und Verlustbudget zu prüfen
• Überdimensionierung – also viel zu leistungsfähige (und teure) Materialien wählen, obwohl das Design sie nicht braucht
• Thermische Anforderungen unterschätzen
• Materialien ausschließlich anhand von Datenblättern auswählen, ohne den PCB-Fertiger einzubeziehen
• Unterschiedliche Materialien für Prototyp und Serienfertigung verwenden, was Impedanz, thermisches Verhalten und Zuverlässigkeit stark verändern kann

FAQ

Fazit

Das richtige kundenspezifische PCB-Material ist der Schlüssel zu höherer Performance, geringerer Ausfallrate und einer reibungsloseren Fertigung. Wenn Sie Ihre elektrischen, thermischen und Umgebungsanforderungen frühzeitig analysieren, können Sie mit gutem Gewissen zwischen FR-4, High-Tg-Materialien, Low-Loss-Laminaten und Metallkern-Substraten wählen.

Wenn Sie dabei Unterstützung wünschen, ist FastTurnPCB auf schnelle, zuverlässige Fertigung von Custom-PCBs spezialisiert – inklusive professioneller Beratung bei der Materialauswahl. Das Engineering-Team hilft Ihnen, den Stack-up zu optimieren, das passende Laminat zu wählen und einen reibungslosen Übergang vom Prototyp zur Serienfertigung sicherzustellen.