Was ist ein PCB-Substrat?
Das PCB-Substrat ist das grundlegende Material, das bei der Herstellung von Leiterplatten (PCBs) verwendet wird. In der Regel handelt es sich bei dem Substrat um ein kupferkaschiertes Laminat (CCL), das selektiv mit Techniken wie Bohren, chemischer Verkupferung, Galvanisieren und Ätzen bearbeitet wird, um das gewünschte Schaltungsmuster für einseitige oder doppelseitige Leiterplatten zu erhalten. Das Substrat erfüllt die Funktionen der Leitfähigkeit, Isolierung und Stützung. Die Leistung, Qualität, Verarbeitung während der Herstellung, Herstellungskosten und das Fertigungsniveau von Leiterplatten hängen stark vom Substratmaterial ab.
Geschichte der Entwicklung von PCB-Substraten
Die Technologie und Produktion von Substratmaterialien haben eine halbe Jahrhundert lange Entwicklung durchlaufen, wobei die weltweite Jahresproduktion aufgrund innovativer Entwicklungen bei Elektronikprodukten, Halbleiterfertigungstechnologie, Elektronikmontagetechnologie und Leiterplattentechnologie 290 Millionen Quadratmeter erreicht hat.
Seit der praktischen Verwendung von kupferkaschierten Laminatplatten aus Substraten auf Phenolharzbasis im Jahr 1943 hat sich die Entwicklung von Substratmaterialien sehr schnell vollzogen.
Im Jahr 1959 produzierte Texas Instruments den ersten integrierten Schaltkreis, wodurch die Anforderungen an eine dichtere Bestückung von Leiterplatten stiegen und die Entwicklung von Mehrschichtplatten vorangetrieben wurde.
Im Jahr 1961 entwickelte die Hazeltine Corporation in den Vereinigten Staaten erfolgreich die Technologie für Mehrschichtplatten unter Verwendung des Metallisierung-Durchkontaktierungsverfahrens.
Im Jahr 1977 wurde BT-Harz industriell hergestellt und bot damit ein neues Substratmaterial mit hoher und niedriger Tg für die Entwicklung von Mehrschichtplatinen weltweit.
1990 stellte IBM in Japan eine neue Technologie für Mehrschichtplatinen vor, bei der ein Schichtstapelverfahren mit lichtempfindlichem Harz als Isolierschicht zum Einsatz kam.
Im Jahr 1997 trat die Technologie der hochdichten Mehrschichtplatinen, einschließlich der schichtgestapelten Mehrschichtplatinen, in eine ausgereifte Entwicklungsphase ein. Unterdessen haben sich Kunststoffverpackungssubstrate, vertreten durch BGA und CSP, rasant entwickelt. Ende der 1990er Jahre kamen neue Arten von Substraten, wie z. B. grüne flammhemmende Substrate ohne Brom und Antimon, schnell auf den Markt.
Verschiedene Arten von PCB-Substratmaterialien
Leiterplatten lassen sich im Allgemeinen anhand der Substratmaterialien in zwei Kategorien einteilen: starre Substratmaterialien und flexible Substratmaterialien. Die wichtigste Variante der starren Substratmaterialien ist das kupferkaschierte Laminat (CCL), das durch Eintauchen des Verstärkungsmaterials in Harzkleber, Trocknen, Schneiden, Laminieren und anschließendes Beschichten mit Kupferfolie hergestellt wird. Es wird unter hoher Temperatur und hohem Druck unter Verwendung einer Stahlplatte als Form in einer Heißpresse geformt. Halbgehärtete CCL-Platten, die hauptsächlich aus harzimprägniertem Glasgewebe bestehen, werden zur Herstellung der meisten Mehrschichtplatinen verwendet.
| Substrate Material | Description |
|---|---|
| Rigid Substrates | Non-flexible materials that withstand high temperatures and pressures. |
| Copper-Clad Laminate (CCL) | The main rigid substrate made by laminating copper foil onto resin-impregnated reinforcement material. |
| Flexible Substrates | Thin, lightweight materials that can bend or fold. |
| Reinforcement Materials | Paper, glass fiber cloth, composite-based (CEM series), and special materials (ceramic, metal core, etc.). |
| Resin Types | Phenolic, epoxy, polyester, and others. |
| Flame-Retardant Types | UL94-V0 (flame-retardant) and UL94-HB (non-flame-retardant). |
| Environment-Friendly CCL | Flame-retardant CCL without brominated compounds. |
| Performance-Based | General, low Dk, high heat-resistant (>150°C), low expansion CCLs, and others. |
Faktoren, die bei der Auswahl des PCB-Substratmaterials zu berücksichtigen sind
Sie fragen sich vielleicht, welche Faktoren bei der Auswahl des PCB-Substrats berücksichtigt werden sollten. Nun, das hängt von der Anwendung Ihrer Leiterplatte ab. Es gibt jedoch einige wichtige Materialeigenschaften, die die Leistung Ihrer Leiterplatte beeinflussen können. Diese sollten Sie berücksichtigen, bevor Sie eine Entscheidung treffen.
Dielektrizitätskonstante
Dies ist die wichtigste elektrische Eigenschaft, die bei der Entwicklung von Laminaten für Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenz-Leiterplatten zu berücksichtigen ist. Die Dielektrizitätskonstante ist eine komplexe Größe, die eine Funktion der Frequenz ist und in Leiterplattensubstraten zu folgenden Formen der Dispersion führt:
Geschwindigkeitsdispersion: Da die Dielektrizitätskonstante eine Funktion der Frequenz ist, treten bei unterschiedlichen Frequenzen unterschiedliche Verluste auf und die Ausbreitungsgeschwindigkeit variiert.
Verlustdispersion: Die Dämpfung eines Signals ist ebenfalls eine Funktion der Frequenz. Ein einfaches Dispersionsmodell legt nahe, dass der Verlust mit steigender Frequenz zunimmt, aber das ist nicht ganz richtig, und in einigen Laminaten kann es komplexe Beziehungen zwischen Verlust und Frequenzspektrum geben.
Beide Effekte tragen zum Grad der Verzerrung bei, die ein Signal während der Ausbreitung erfährt. Die Dispersion ist für analoge Signale, die in sehr schmalen Bandbreiten oder bei einer einzigen Frequenz arbeiten, irrelevant. Für digitale Signale ist sie jedoch von entscheidender Bedeutung und stellt eine der größten Herausforderungen bei der Modellierung von digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen und der Entwicklung von Verbindungen dar.
Glasgewebe-Stil
Der Glasgewebestil erzeugt Lücken auf dem PCB-Substrat, die mit dem Harzgehalt auf der Platine zusammenhängen. Das Volumenverhältnis von Glas und Imprägnierharz bestimmt die volumengemittelte Dielektrizitätskonstante des Substrats. Darüber hinaus verursachen Lücken im Glasgewebe einen sogenannten Faserverwebungseffekt, bei dem die Dielektrizitätskonstante des Substrats entlang der Verbindungsleitung variiert, was zu Verzerrungen, Resonanzen und Verlusten führt. Diese Effekte treten bei Frequenzen von etwa 50 GHz oder höher deutlich zutage und beeinträchtigen Radarsignale, Gigabit-Ethernet und typische LVDS-SerDes-Kanalsignale.
Kupferrauheit
Obwohl dies eigentlich eine strukturelle Eigenschaft von gedruckten Kupferleitern ist, trägt es zur Verbindungsimpedanz bei. Die Oberflächenrauheit des Leiters erhöht effektiv seinen Skineffektwiderstand bei hohen Frequenzen, was zu Wirbelströmen während der Signalausbreitung führt und Verluste verursacht. Das Ätzen von Kupfer, Kupferabscheidungsverfahren und die Oberfläche des Prepregs beeinflussen alle in gewissem Maße die Oberflächenrauheit.
Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärme
Die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur der Platine um ein Grad zu erhöhen, wird durch die spezifische Wärme des Substrats quantifiziert, während die pro Zeiteinheit durch die Platine übertragene Wärmemenge durch die Wärmeleitfähigkeit quantifiziert wird. Diese Eigenschaften des PCB-Materials bestimmen gemeinsam die endgültige Temperatur der Leiterplatte, wenn sie während des Betriebs das thermische Gleichgewicht mit ihrer Umgebung erreicht. Wenn Sie Ihre Leiterplatte in einer Umgebung einsetzen, die eine schnelle Wärmeableitung an einen großen Kühlkörper oder ein Gehäuse erfordert, sollten Sie ein Substrat mit höherer Wärmeleitfähigkeit verwenden.
Glasübergangstemperatur und Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)
Diese beiden Eigenschaften von PCB-Materialien hängen ebenfalls zusammen. Alle Materialien haben einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), der genau die anisotrope Größe in Leiterplattensubstraten ist (d. h. die Ausdehnungsrate ist in verschiedenen Richtungen unterschiedlich). Sobald die Temperatur der Leiterplatte die Glasübergangstemperatur überschreitet, beginnt der CTE eine Rolle zu spielen und beeinflusst die Zuverlässigkeit der Leiterplatte. Daher ist es wichtig, ein Substrat mit einer geeigneten Glasübergangstemperatur und einem CTE auszuwählen, das den Umgebungsanforderungen der Leiterplatte entspricht.
