Die eigentliche Basis einer Leiterplatte (PCB) ist das Basismaterial – die Schicht, die das Kupfer trägt und die elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften bestimmt. Wer PCB-Basismaterialien versteht, trifft bessere Entscheidungen zu Signalgüte, Wärmeabfuhr und Zuverlässigkeit.
Woraus bestehen Leiterplatten?
Jede PCB umfasst einige Hauptbestandteile:
- Kupferfolie – die leitfähige Schicht für Signal- und Versorgungsbahnen.
- Basissubstrat (Kern/Laminat) – die isolierende Trägerschicht, die das Kupfer stützt und die meisten physikalischen Eigenschaften definiert.
- Lötstopplack – der grüne (oder andersfarbige) Schutzlack über dem Kupfer.
- Bestückungsdruck (Silkscreen) – aufgedruckte Texte und Markierungen.
Am wichtigsten ist das Basismaterial: Es bestimmt, wie sich die PCB unter Wärme, elektrischer Belastung und mechanischer Biegung verhält.
Gängige PCB-Materialfamilien
FR-4 (Glasfaser/Epoxid-Laminat)
FR-4 ist der Standard für die meisten Leiterplatten. Es besteht aus gewebtem Glasfasergewebe, das mit Epoxidharz imprägniert ist.
- Typische Werte: Dk ≈ 3,8–4,8; Df ≈ 0,009–0,02; Tg ≈ 130–180 °C.
- Vorteile: Kostengünstig, gut verarbeitbar, mechanisch robust, weit verbreitet.
- Einschränkungen: Höhere Verluste bei sehr hohen Frequenzen; Glasgewebe kann in Hochgeschwindigkeits-Designs Impedanzschwankungen verursachen.
- Anwendungen: Unterhaltungselektronik, Industrie-Steuerungen, Automotive-Module.
High-Tg-FR-4 eignet sich für bleifreies Löten und höhere thermische Zuverlässigkeit.
Keramik-PCB (AlN / Al₂O₃)
Keramiken wie Aluminiumnitrid (AlN) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) kommen zum Einsatz, wenn thermische oder elektrische Anforderungen über die Möglichkeiten von FR-4 hinausgehen.
- Kerneigenschaften: Hohe Wärmeleitfähigkeit (besonders AlN), geringe dielektrische Verluste, sehr gute Maßstabilität.
- Vorteile: Ideal für Hochleistungs- und Hochfrequenz-Schaltungen; widersteht extremen Temperaturen.
- Einschränkungen: Teurer und in der Fertigung anspruchsvoller als Standardlaminate.
- Anwendungen: Leistungsmodule, RF-Frontends, Fahrzeugbeleuchtung, Lasersysteme.
Oft kommen DCB (Direct Copper Bonding) oder DPC (Direct Plated Copper) zum Einsatz, um Kupfer direkt auf der Keramik zu befestigen und den thermischen Widerstand zu senken.
Aluminium-/Metallkern-PCB (IMS/MCPCB)
Metallkern-Leiterplatten verwenden eine dünne dielektrische Schicht auf einer Metallbasis (meist Aluminium) – so entsteht ein direkter Wärmeweg vom Bauteil in das Metall.
- Aufbau: Kupferfolie + dünnes Dielektrikum (0,1–0,3 mm) + Aluminiumkern.
- Vorteile: Sehr gute Wärmeverteilung, hohe mechanische Festigkeit.
- Einschränkungen: Meist auf ein- bis zweilagige Designs begrenzt; für komplexe Multilayer/HDI weniger geeignet.
- Anwendungen: LED-Beleuchtung, Netzteile, Motorantriebe, Automotive-Elektronik.
Eine kosteneffiziente Lösung, wenn Wärmeabfuhr Priorität hat und keine viellagige Verdrahtung nötig ist.
Weitere spezialisierte Materialien
- PTFE-basierte Laminate (Teflon): Für RF/Mikrowelle/Millimeterwelle mit extrem niedrigen Verlusten; hervorragende HF-Performance, aber teuer und schwierig zu verarbeiten.
- Polyimid (PI): Für flexible und Starrflex-Leiterplatten; hohe Temperaturbeständigkeit und gute mechanische Flexibilität.
Zentrale Materialkennwerte verstehen
- Tg (Glasübergangstemperatur): Temperatur, bei der das Harz von hart zu gummiartig übergeht. Hohe Tg (> 170 °C) verträgt bleifreie Reflow-Profile und häufige thermische Zyklen.
- Dk (Dielektrizitätskonstante): Bestimmt Signal-Ausbreitungsgeschwindigkeit und Impedanz; niedrigere Dk reduziert Laufzeit und Verluste.
- Df (Verlustfaktor): Maß für die dielektrischen Verluste; niedrige Df bedeutet geringere Dämpfung – wichtig bei hohen Frequenzen.
- CTE (Wärmeausdehnungskoeffizient): Maß der thermischen Ausdehnung; CTE-Anpassung an Kupfer und Bauteile reduziert Lötstellen-Spannungen (z. B. unter BGAs).
- Wärmeleitfähigkeit: Beschreibt, wie gut Wärme durch das Material transportiert wird; zentral für Leistungs- und LED-Anwendungen.
Kupferdicke und typische Einsätze
Die Kupferdicke beeinflusst Stromtragfähigkeit, Impedanz und Wärmeabfuhr.
Umrechnung:
- 0,5 oz/ft² ≈ 17,5 µm
- 1 oz/ft² ≈ 35 µm
- 2 oz/ft² ≈ 70 µm
- 3 oz/ft² ≈ 105 µm
Grundregeln:
- Signal-/High-Speed-Lagen: 0,5–1 oz für bessere Impedanzkontrolle und feine Strukturen.
- Versorgungs-/Masse-Lagen: 1–2 oz für geringeren Widerstand und stabile Spannungen.
- Heavy-Copper (> 3 oz): Für sehr hohe Ströme bzw. starke Verlustleistung.
Beachten Sie: Mehr Kupfer verbessert die Wärmeabfuhr, erhöht aber Ätzaufwand und Mindestabstände.
Zusammenfassung: Materialvergleich
- FR-4: Niedrige Wärmeleitfähigkeit (~0,3 W/m·K), mittlere Verluste, mittlere CTE-Anpassung, geringe Kosten, exzellente Multilayer-Fähigkeit. Anwendungen: allgemeine Elektronik.
- Keramik Al₂O₃: Mittlere Wärmeleitfähigkeit (20–30 W/m·K), geringe Verluste, sehr gute CTE-Anpassung, mittlere Kosten, begrenztes Multilayer. Anwendungen: RF, Sensorik.
- Keramik AlN: Sehr hohe Wärmeleitfähigkeit (150–200 W/m·K), sehr geringe Verluste, sehr gute CTE-Anpassung, hohe Kosten, begrenztes Multilayer. Anwendungen: Leistung, RF, Laser.
- Aluminium-IMS: Moderater Wärmeweg (Dielektrikum + Metallkern), mittlere Verluste, CTE-Anpassung „ausreichend“, niedrig-mittel teuer, Multilayer begrenzt. Anwendungen: LED, Netzteile.
Beispiel-Stackups und Einsatzfälle
- FR-4-Multilayer (4–8 Lagen): 0,5–1 oz Kupfer; Dielektrika für Zielimpedanzen angepasst.
- Leistungs-/LED-Module (IMS): Einlagiger Aufbau mit Aluminiumkern für schnellen Wärmeabfluss.
- Hochthermische Designs (Keramik): AlN/Al₂O₃ mit direkter Kupferbindung für Leistungs- und HF-Module.
Jeder Aufbau balanciert elektrische Performance, Thermik und Kosten.
Häufig gestellte Fragen
F1: Woraus bestehen PCBs?
Aus Kupferfolie, die auf eine isolierende Basis wie FR-4, Keramik oder Aluminium laminiert ist – plus Lötstopp und Bestückungsdruck.
F2: Was ist der Unterschied zwischen Keramik-PCB und Aluminium-PCB?
Keramik (vor allem AlN) bietet höhere Wärmeleitfähigkeit und geringere Verluste – ideal für RF und Leistung. Aluminium-PCBs sind günstiger und einfacher herzustellen, passend für LED- und Netzteil-Designs.
F3: Wie wähle ich die Kupferdicke?
Für Signallage 0,5–1 oz, für Leistungs-/Thermiklagen ≥ 2 oz. Immer Leiterbahnbreite, Via-Anzahl und Gesamtstrom berücksichtigen.
Fazit
Die Wahl des PCB-Basismaterials hängt von drei Faktoren ab: Signalperformance, Wärmemanagement und Fertigungstauglichkeit.
- Für die meisten Anwendungen ist FR-4 die ausgewogenste Option.
- Für hohe Leistungen oder Temperaturen liefern Keramik oder Aluminium-IMS die bessere Thermik.
- Passen Sie stets Tg, Dk/Df, CTE und Wärmeleitfähigkeit an die Anforderungen Ihres Designs an.
Mit diesem Verständnis entwickeln Sie Leiterplatten, die zuverlässig, leistungsfähig und langfristig wirtschaftlich sind.
