PCB (Printed Circuit Board) gilt heute als Baustein der Elektronikindustrie. Sie wird für alle Arten kleiner Elektronik, wie z. B. Taschenrechner, sowie für größere Geräte, Projekte und Maschinen verwendet.
Die Struktur der Leiterplatte bestimmt die Bandbreite der Projekte und Geräte, für die sie geeignet ist. Sie basiert auf den in der Leiterplatte verwendeten Materialien, die den Einsatz der Leiterplatten in bestimmten Anwendungen ermöglichen.
Eine Leiterplatte Tafel Struktur besteht aus Siebdruck, Lötstoppmaske, Kupfer und Substrat. Darüber sind Leiterschichten für die Komponentenverbindungen angeordnet.
Für die Herstellung einer Leiterplatte werden unterschiedliche Materialien verwendet, die die Leistung, Lebensdauer und Qualität der Projekte bestimmen, in denen sie verwendet werden.
Hier besprechen wir verschiedene Materialien für Leiterplatten, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und die Spezifikationen der Leiterplatten beeinflussen. Los geht's.
Was sind die Hauptkomponenten der Leiterplatte?
Hier sind die Hauptkomponenten von Leiterplatten aufgelistet.
• Substrat (Basismaterial)
• Kupferschicht
• Loetmaske
• Seidensiebdruck
• Leitfähiger Weg
Die Bedeutung aller Komponenten einer Leiterplatte kann nicht geleugnet werden und jede hat ihre Bedeutung für die Funktion der Leiterplatte.
Substrat (Basismaterial)
Als Basismaterial kommt meist Epoxidharz zum Einsatz, das mit einer Beimischung von Kupferfolien versehen ist.
PCB-Substrate oder Basismaterialien sind die Hauptkomponenten der Leiterplatte, auf denen alle anderen PCB-Komponenten aufgebaut sind. Sie dienen als Basis für Schaltkreise und bieten den auf der Leiterplatte angeschlossenen Komponenten wichtigen mechanischen Halt.
Verschiedene Basismaterialien verfügen über Eigenschaften, die die Zuverlässigkeit der Platine und ihre Leistung in angeschlossenen Geräten verbessern. Die richtige Verwendung der Basismaterialien bestimmt somit die genaue Leistung der Platinenstruktur.
Auch die Substratmaterialien helfen, die physikalischen Eigenschaften einer Platte zu bestimmen. Wenn beispielsweise starre Materialien verwendet werden, um die Haltbarkeit der Platte zu erhöhen, macht eine flexible Basis die Platte flexibel und ermöglicht ein leichtes Biegen.
Kupferschicht
Kupferschichten werden auf die Trägermaterialien aufgebracht. Je nach Leiterplattentyp wird die Kupferbeschichtung bei einseitigen Leiterplatten einseitig, bei mehrlagigen Leiterplatten mehrseitig aufgebracht.
Diese Kupferschichten werden verwendet, um elektrische Signale oder Ströme zwischen verschiedenen auf Platinen verbundenen Gegenstücken wie Transistoren, Dioden, Induktoren usw. fließen zu lassen. Nachdem sie Signale von diesen Schichten erhalten haben, führen die verbundenen Komponenten ihre jeweiligen Funktionen aus.
Loetmaske
Eine Lötstoppmaske ist eine schützende Polymerschicht, die auf Kupferschichten aufgetragen wird. Sie wird als LPISM (Liquid Photo-Imaginable Solder Mask) bezeichnet. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Kupferschichten vor Wechselwirkungen untereinander zu schützen und sie vor Kurzschlüssen zu isolieren.
Diese Schicht schützt die Platinen auch vor verschiedenen Umwelteinflüssen wie Oxidation und Lötbrückenbildung.
Seidensiebdruck
Siebdruck ist eine aus Tintenspuren erstellte Schicht, die dabei hilft, verschiedene Komponentenverbindungen, Teile von Platinen, symbolische Darstellungen von Komponenten und andere Details verwandter Projekte zu finden.
Der Siebdruck wird auch als Siebdruck bezeichnet und ist eine Bezeichnung für die Platine. Er wird auf der Seite der Anschlusskomponenten aufgebracht, ist bei manchen Platinen jedoch auch auf der Lötseite sichtbar.
Leitfähiger Weg
Kupferleiterbahnen werden je nach Design ein- oder beidseitig auf die Oberfläche der Leiterplatte aufgebracht. Über den Leiterbahnen wird eine Lötmaske aufgetragen, die die Leiterbahnen vor Umwelteinflüssen schützt.
Was sind die gängigen PCB-Materialien?
Es gibt verschiedene Arten von Materialien für PCB-basierte PCB-Typen und Projektanforderungen. Häufig verwendete Materialien sind:
FR-4
FR4 steht für Flammschutzmittel und wird häufig für Leiterplatten verwendet. Es ist kostengünstig und zeichnet sich durch hohe Durchschlagfestigkeit und Isolationseigenschaften aus.
FR4 ist eine glasfaserverstärkte Epoxid-Laminatplatte. Epoxid ist witterungsbeständig und flammhemmend. Es bietet zudem eine hohe Zugfestigkeit.
Dank seiner kostengünstigen Eigenschaften ist es mit verschiedenen Herstellungsverfahren kompatibel, die für die Platinenherstellung bevorzugt werden.
Der Verlustfaktor dieses Materials liegt bei etwa 0.015 bis 0.025, die Dielektrizitätskonstante bei 4.2 bis 4.8. Diese Werte können je nach Herstellungsverfahren variieren.
Die Glasübergangstemperatur dieses Materials beträgt 105–130 °C.
Hochtemperaturmaterialien
Hochtemperaturmaterialien, auch als Hochtemperatur-Tg-Materialien bekannt, sind für unterschiedliche Temperaturbedingungen ausgelegt. Der verwendete Materialtyp gilt als Hochtemperaturmaterial, wenn der Tg-Wert über 150 Grad liegt.
Die am häufigsten verwendeten Hochtemperaturmaterialien für Leiterplatten sind Keramiksubstrate und Polyimide.
Der Hochtemperaturwert für Polyimidmaterial liegt bei etwa 280 °C bis 350 °C. Sie haben außerdem geringere Wärmeausdehnungskoeffizienten, die die Delamination bei thermischen Zyklen kontrollieren.
Aluminium und Aluminiumnitrid sind keramikbasierte Materialien, die zur Herstellung von Leiterplatten verwendet werden. Sie verfügen über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, die eine effektive Wärmeableitung ermöglicht und die Wärmeentwicklung der angeschlossenen Komponenten auf der Platine gering hält.
Flexible Materialien
Flexible Materialien eignen sich vor allem für Anwendungen, bei denen starre Leiterplatten keine Flexibilität bieten und gleichzeitig die elektrische Leistung nicht aufrechterhalten. Daher werden flexible Materialien in verschiedenen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrtindustrie, in der Medizintechnik usw. Das am häufigsten verwendete flexible Material ist Polyester.
Polyestermaterial, auch bekannt als Polyethylenterephthalat (PET), wird für die Herstellung von Leiterplatten verwendet, da es gute elektrische Eigenschaften bietet und korrosions- und feuchtigkeitsbeständig ist.
Metallkernmaterialien
Metallkern-Leiterplattenmaterialien werden anstelle von FR4-Materialien für Anwendungen verwendet, bei denen gute thermische Eigenschaften erforderlich sind. Diese Materialien verfügen über Eigenschaften, die die beim Betrieb verschiedener Hochleistungskomponenten auf der Platine entstehende Wärme abfangen, wie z. B. LED-Leuchten, die während des Betriebs Wärme erzeugen, um die Erwärmung der verwendeten Leiterplatten-Metallkerne zu bewältigen.
Das am häufigsten verwendete Metall für Metallkernplatten ist Aluminium, in einigen Anwendungen kommt jedoch auch Kupfer zum Einsatz. Der Hauptvorteil von Aluminium als Kupferersatz liegt in den niedrigen Kosten.
Der Metallkern leitet die Wärme von kritischen angeschlossenen Komponenten in Bereiche mit geringer Erwärmung. Die Oberfläche metallisierter Kernplatinen besteht aus leitfähigen, thermischen und metallischen Substratschichten.
Die wichtigsten Arten von Metallkern-Leiterplatten sind
· Einschichtige MCPCB
· COB MCPCB
· Doppelschichtiges MCPCB
· Doppelseitige MCPCB
· Mehrschichtige MCPCB
Was sind PCB-Materialeigenschaften??
Hier sind die wichtigsten Eigenschaften aufgeführt, die vor der Auswahl von Leiterplattenmaterialien überprüft werden müssen.
Dielektrizitätskonstante
Die Dielektrizitätskonstante ist ein Faktor, der die Eigenschaften des ausgewählten Materials zur Speicherung von Energie in Form eines elektrischen Feldes definiert.
Der Dk-Wert wird numerisch angegeben. Dieser Faktor beeinflusst die elektrische Leistung der Platine. Er definiert den Wert der relativen Permittivität des für Leiterplatten verwendeten Materials im Vakuum.
Für Hochfrequenzprojekte wird Material mit niedrigem Dielektrizitätswert zur schnellen Signalausbreitung verwendet.
Der DK-Wert für verschiedene Materialien ist wie folgt.
· FR4: 4.2 bis 4.8
· Polyimid: 3.2 bis 3.6
· Flüssigkristallpolymer (LCP): 2.9.
Verlustfaktor
Dieser Faktor erklärt die elektrischen Energieverluste des Materials und wird auch als Verlustfaktor bezeichnet. Er erklärt die Energiespeicherung des Materials. Dieser Faktor wird bei HF-Schaltungen berücksichtigt. Der Verlustfaktor für FR4-Materialien beträgt 0.015.
Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit von Materialien ist ein wesentlicher Faktor für Projekte, bei denen Hochleistungskomponenten verwendet werden.
Da dieser Faktor die Fähigkeit von Materialien zur Ableitung der während des Betriebs von angeschlossenen Komponenten erzeugten Wärme übersteigt, wird er in Watt pro Meter-Kelvin (W/mk) gemessen. Er wird als K oder TC bezeichnet.
Dies ist der Hauptfaktor, der die Wärmeableitungseigenschaften der Leiterplatte definiert. Das Material mit einem hohen TC-Wert leitet mehr Wärme ab und sorgt für eine gute Funktion der Leiterplatten.
Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium liegt bei etwa 1 W/mK bis 3 W/mK und weist daher gute Wärmeleitfähigkeitseigenschaften auf. Im Vergleich dazu weist FR4 eine geringe Wärmeleitfähigkeit von etwa 0.3 W/mK auf und hat daher Schwierigkeiten bei der Wärmeableitung.
Mechanische Festigkeit
Die für die Leiterplatte ausgewählten Materialien müssen für eine ordnungsgemäße Funktion über bestimmte mechanische Eigenschaften verfügen, wie etwa die Fähigkeit, problemlos mit Belastungen umzugehen, sowie Flexibilität und Steifigkeit.
Überprüfen Sie vor der Auswahl der Materialien, ob diese problemlos Stößen oder Vibrationen standhalten, wenn sie in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen hoher Druck und hohe mechanische Kräfte wirken.
CTE
Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Materialien, die beim Erhitzen bestimmte Eigenschaften aufweisen. Der CTE-Wert muss in einem begrenzten Bereich liegen, um Materialschäden zu vermeiden. Denn wenn sich Materialien bei steigender Temperatur schnell ausdehnen, werden sie beschädigt.
Elektrische Festigkeit
Die Fähigkeit von Materialien, elektrische Pannen wird als elektrische Stärke bezeichnet. Der Wert der elektrischen Stärke wird in Volt gemessen.
Über PCBasic
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Wie wähle ich das richtige PCB-Material aus?
Die ausgewählten Materialien für Leiterplatten verfügen über ein geeignetes Wärmemanagement, da dies für einen längeren Betrieb optimal ist. Werden die ausgewählten Materialien nicht ausreichend abgeführt, beeinträchtigt die Wärme den Betrieb der angeschlossenen Komponenten und verringert die Effizienz der Geräte. Die beste Methode zur Kontrolle des Heizfaktors auf Leiterplatten ist die Verwendung von Kühlkörpern oder ausgewählten Materialien aus Metall, die Wärme ableiten können.
Materialkosten
Die Herstellungskosten einer Leiterplatte hängen von den ausgewählten Materialien ab. Die Materialkosten richten sich nach dem Design der Leiterplatte und den verschiedenen Lagen. Die Verwendung spezieller Materialien erhöht die Kosten zusätzlich. Die zunehmende Anzahl der Lagen auf der Leiterplatte erhöht zudem die Kosten. Hochfrequenzmaterialien sind teuer. Versuchen Sie dennoch, hochwertige Materialien zu verwenden, um die Lebensdauer Ihres Projekts und der angeschlossenen Geräte zu verlängern.
Herstellungstechniken
Die Herstellungsverfahren sind ebenfalls ein wichtiger Faktor für die Verwendung von hochwertigem Leiterplattenmaterial. Für die Leiterplattenherstellung werden zwei gängige Verfahren eingesetzt: Durchsteckmontage und Oberflächenmontage (SMT). Ausgewählte Materialien müssen mit diesen Verfahren kompatibel sein, um ein gutes Spannungsmanagement zu gewährleisten.
Leiterplatten sind heute in fast allen Branchen weltweit zu finden und werden für die Herstellung unterschiedlichster Projekte und Geräte verwendet. Daher muss die Zuverlässigkeit von Leiterplatten gewährleistet sein. Für zuverlässige und langlebige Leiterplatten werden standardmäßige und hochwertige Materialien benötigt, die den Leiterplattenanforderungen für spezielle Projekte problemlos gerecht werden. Für Leiterplatten werden verschiedene Materialien verwendet, beispielsweise FR4, das am häufigsten verwendet wird, sowie Polyimid, Polyester und einige Metalle. Hochwertige Materialien müssen über gute thermische Eigenschaften, mechanische Eigenschaften und gute Wärmeableitung verfügen und verschiedenen Umweltbedingungen wie Oxidation und Korrosion standhalten. Das Material muss umweltfreundlich, unbedenklich und leicht recycelbar sein. Die Materialauswahl muss sich an den Anforderungen des Projekts und der Schaltung orientieren.
