Wenn du ein beliebiges elektronisches Gerät öffnest – etwa ein Smartphone, einen Router oder einen LED-Treiber –, findest du im Inneren eine Leiterplatte (PCB). Während die Kupferbahnen sofort ins Auge fallen, ist es das Leiterplattenmaterial darunter, das bestimmt, wie die Platine bei Hitze, hohen Datenraten und mechanischer Belastung performt.
Dieser Leitfaden erklärt, was PCB-Materialien sind, welche Typen es gibt, welche Schlüsselparameter wichtig sind und wie du für dein Design die richtige Wahl triffst.
Was ist ein PCB-Material?
Ein PCB-Material (Substrat) ist die Basisschicht, die Kupferbahnen und Bauteile trägt. Es liefert die mechanische Festigkeit, um Komponenten an Ort und Stelle zu halten, und die elektrische Isolation, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
Eine typische Multilayer-Platine besteht aus:
- Kupferfolie für die Leiterzüge
- Dielektrisches Substrat (das eigentliche „PCB-Material“)
- Lötstopplack und Bestückungsdruck (Silkscreen) zum Schutz und zur Beschriftung
Die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Substrats – Dielektrizitätszahl (Dk), Verlustfaktor (Df), Glasübergangstemperatur (Tg) und Wärmeausdehnung (CTE) – beeinflussen alles: von der Impedanzkontrolle bis zur Lötzuverlässigkeit.
Schnellauswahl nach Anwendung
Die Materialwahl beginnt mit dem Einsatzszenario. Hier eine schnelle Zuordnung:
| Anwendung | Empfohlene Materialien | Begründung |
|---|---|---|
| High-Speed / RF / 5G | Rogers, PTFE, LCP | Sehr niedrige Dk/Df für Signalintegrität |
| Hohe Temperaturen / flexibel | Polyimid, Flex-PCB | Stabil bei wiederholten Temperaturzyklen und Biegung |
| Leistung / LED / Wärmeabfuhr | Metallkern oder Keramik | Hervorragende Wärmeleitfähigkeit |
| Allgemeine Elektronik | FR-4 (Standard oder High-Tg) | Bestes Verhältnis aus Kosten, Performance, Herstellbarkeit |
PCB-Materialien: Liste und Vergleich
Nachfolgend eine vereinfachte Übersicht gängiger Materialien und typischer Kennwerte (Richtwerte):
| Materialtyp | Dk (1 GHz) | Df | Tg (°C) | CTE (Z) ppm/°C | Wärmeleitfähigkeit (W/m·K) | Dichte (g/cm³) | Kostenstufe | Typische Anwendungen |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| FR-4 (Standard) | 4,2–4,8 | 0,015–0,020 | 130–140 | 55–70 | 0,3 | 1,85 | ★ | Consumer, Industrie |
| FR-4 High-Tg | 4,2–4,5 | 0,014–0,018 | 170–180 | 50–60 | 0,3 | 1,85 | ★★ | Automotive, hohe Temp. |
| Polyimid | 4,1–4,5 | 0,010–0,015 | > 250 | 40–55 | 0,3 | 1,70 | ★★★ | Luft-/Raumfahrt, Flex/Rigid-Flex |
| PTFE (Teflon) | 2,1–2,5 | 0,0009–0,002 | 160–240 | ~200 | 0,25 | 2,1 | ★★★★ | Mikrowelle, RF |
| Rogers (4350B/4003C) | 3,38–3,66 | 0,0027–0,0037 | ~280 | ~32 | 0,62 | 1,9 | ★★★★ | Hochfrequenz, Radar, 5G |
| LCP | 2,9–3,2 | 0,002–0,004 | ~280 | ~17 | 0,2 | 1,4 | ★★★★★ | 5G-Antenne, Raumfahrt |
| Metallkern (Al/Cu) | ~4,5* | ~0,02 | 100–150 | ~40 | 1,0–2,0 | 2,7–8,9 | ★★★ | LED, Leistungswandler |
| Keramik (AlN/Al₂O₃) | 8,5–9,8 | 0,0005–0,001 | > 500 | ~6 | 24–180 | 3,8 | ★★★★★ | Leistungselektronik, Aerospace |
*Dk für die dünne dielektrische Schicht auf dem Metallkern
Fazit aus der Tabelle: Es gibt kein Universal-Material. FR-4 punktet bei Preis und Vielseitigkeit; PTFE, Rogers und LCP dominieren Hochfrequenz; Polyimid und Keramik glänzen bei Hitze und in rauen Umgebungen.
Wie Materialeigenschaften die Performance beeinflussen
- Dk (Dielektrizitätszahl): Steuert Signalgeschwindigkeit und Impedanz – niedriger Dk bedeutet höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit.
- Df (Verlustfaktor): Misst Signalverluste als Wärme – je kleiner, desto besser für RF/Hochgeschwindigkeit.
- Tg (Glasübergang): Oberhalb Tg steigen Ausdehnung und Delaminationsrisiko.
- CTE (Wärmeausdehnung): CTE-Mismatch zwischen Material und Bauteil kann Vias/Pads nach Reflow schädigen.
- Wärmeleitfähigkeit: Bestimmt, wie schnell Wärme abgeführt wird.
- Dichte: Relevant für gewichtskritische Anwendungen (Aerospace, Wearables).
Für die meisten Designs reicht FR-4 High-Tg (≥ 170 °C) mit Df ≈ 0,015. Bei GHz-Frequenzen oder Leistungsdichten > 3 W/cm² wird die Materialwahl jedoch kritisch.
FR-4: Das Arbeitspferd unter den PCB-Materialien
FR-4 (flammenhemmendes, glasfaserverstärktes Epoxidlaminat) ist das Rückgrat der Leiterplattenindustrie: preisgünstig, breit verfügbar und ausgewogen.
Typen innerhalb FR-4:
- Standard-FR-4: Tg ≈ 135 °C, für Low-Cost-Produkte.
- High-Tg FR-4: Tg ≈ 170 °C, besser für bleifreies Reflow und Multilayer.
- Low-Df FR-4: Reduzierte Verluste für moderate High-Speed-Anwendungen.
- Halogenfrei: Für Umwelt-Compliance (z. B. RoHS, REACH).
Typische Platinendicken: 0,4–3,2 mm; Kupfer: 0,5–3 oz pro Lage.
Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsmaterialien
Über 1 GHz dominieren Verlustfaktor und dielektrische Stabilität. FR-4 stößt an Grenzen bei konstanter Impedanz und geringen Einfügeverlusten.
Die Lösung: PTFE (Teflon), Rogers, LCP.
- PTFE: Extrem niedriger Df (< 0,002) und chemisch sehr stabil.
- Rogers 4350B/4003C: PTFE-ähnliche Performance, aber fertigungsfreundlicher.
- LCP: Sehr geringe Feuchteaufnahme und hohe Maßstabilität – ideal für Antennen und flexible RF-Module.
Oft nutzt man hybride Stackups: Rogers-Lagen kombiniert mit FR-4-Kern, um Kosten und Performance auszubalancieren.
Hochtemperatur und Flexibilität
Polyimid kommt zum Einsatz, wenn Platinen wiederholte Temperaturzyklen oder Biegung überstehen müssen:
- Tg > 250 °C, CTE < 50 ppm/°C, stabile dielektrische Werte – ideal für Luft-/Raumfahrt, Motorraum, Rigid-Flex.
- Einsetzbar solo oder mit FR-4-Versteifern in Rigid-Flex-Aufbauten.
- Höherer Preis, aber höhere Zuverlässigkeit, wenn es darauf ankommt.
Wärmeabfuhr: Metallkern & Keramik
Wenn Wärme der Gegner ist, zählt Leitfähigkeit:
- MCPCB (Metallkern-PCB): Aluminium-/Kupferträger ziehen Wärme von LEDs, Reglern, Motor-Treibern ab. Eine dünne dielektrische Schicht (ca. 0,1–0,2 mm) hält 1–2 W/m·K – etwa 5× FR-4.
- Keramik (AlN/Al₂O₃): 20–180 W/m·K, sehr steif und hochspannungsfest – z. B. für Laser-Module, RF-Leistungsverstärker, Aerospace.
Fertigung und Stackup: Wichtige Hinweise
Selbst das beste Material kann scheitern, wenn es falsch eingesetzt wird:
| Parameter | Typischer Bereich | Design-Tipp |
|---|---|---|
| Dielektrische Dicke (Toleranz) | ± 10 % | Impedanz nicht überpräzise festzurren – Bereich definieren |
| Kupferrauhigkeit | 1–3 µm | Glattere Folie für High-Speed-Lagen wählen |
| Bohr-Aspektverhältnis | ≤ 10:1 | Bei dicken Boards gestapelte Vias erwägen |
| Presszyklen | bis ~3 | Laminationsreihenfolge früh planen |
| Tg vs. Reflow-Profil | Tg ≥ 30 °C über Peak | Delamination vermeiden |
Frühzeitig mit dem Leiterplattenfertiger sprechen: Exotische Laminate erfordern teils spezielles Prepreg, Plasmareinigung oder geringere Pressdrücke.
Gängige Marken und Qualitäten
Weit verbreitete Marken/Typen (oft gegeneinander austauschbar):
| Marke | Beliebte Qualitäten | Hinweise |
|---|---|---|
| Isola | 370HR, FR408HR | High-Speed-FR-4-Ersatz |
| Ventec | VT-47, VT-901 | Bleifrei, High-Tg, mittlere Verluste |
| Rogers | 4350B, 4003C, 5880 | RF/Mikrowelle-Standard |
| Panasonic | Megtron 6 | Sehr geringe Verluste (Server) |
| DuPont | Pyralux AP, FR | Polyimid & Flex-Laminate |
Verfügbarkeit ist regional verschieden – vor Stackup-Freigabe beim Lieferanten prüfen.
Kosten und Verfügbarkeit
Materialwahl beeinflusst Elektrik, Lieferzeit und Gesamtkosten:
| Materialstufe | Kostenfaktor (FR-4 = 1×) | Notiz |
|---|---|---|
| FR-4 | 1× | Standardfertigung |
| FR-4 High-Tg | ~1,3× | Moderater Aufpreis, robust |
| Polyimid | 2–3× | Teuer, sehr langlebig |
| Rogers / PTFE / LCP | 3–6× | Für RF/Mikrowelle |
| Keramik / Metallkern | 4–8× | Spezialanwendungen |
Kosten senken:
- Hybrid-Stackups (FR-4 + HF-Lagen nur dort, wo nötig).
- Ganze Nutzentafeln bestellen, Ausschuss reduzieren.
- Standard-Dicken/Prepregs nutzen, die der Fertiger lagernd hat.
FAQ
1) Was ist FR-4?
Ein flammhemmendes, glasfaserverstärktes Epoxidlaminat – preiswert und für die meisten Consumer- und Industrieanwendungen geeignet.
2) Welche PCB-Materialien gibt es?
FR-4, FR-4 High-Tg, Polyimid, PTFE (Teflon), Rogers, LCP, Metallkern, Keramik sowie CEM-Verbundwerkstoffe.
3) Welche Materialeigenschaften sind wichtig?
Dk, Df, Tg, CTE, Wärmeleitfähigkeit und Dichte.
4) Typische Dichten?
Ca. 1,8 g/cm³ (FR-4), 1,7 (Polyimid), 2,1 (PTFE), 3,8 (Keramik). Metallkerne: 2,7 (Aluminium) bis 8,9 (Kupfer).
5) Bestes Material für High-Speed/RF?
Rogers 4350B/4003C oder LCP – niedrige Verluste, stabile Dielektrik über einen großen Frequenzbereich.
Schlussfolgerung
Die Wahl des PCB-Materials ist entscheidend für Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz. Jedes Material – ob FR-4, Polyimid, Rogers, PTFE oder Metallkern – bringt einen eigenen Mix aus elektrischer Leistung, Wärmefestigkeit und mechanischer Stärke mit. Für viele Designs liefert FR-4 High-Tg das beste Preis-Leistungs-Verhältnis; High-Speed- oder Hochtemperatur-Projekte profitieren von verlustarmen, stabileren Laminaten.
Passe das Material an die realen Anforderungen deiner Anwendung an – Signalgeschwindigkeit, Leistungsniveau, Temperaturgrenzen – und kläre Stackup-Details früh mit deinem Fertiger. Die richtige Wahl verbessert Signalintegrität und Thermik, reduziert Fertigungsprobleme und verlängert die Produktlebensdauer.
