Dieser Artikel soll vorstellen die verschiedenen Arten von Materialien, die im Substrat der Leiterplatte (PCB) verwendet werden. Das gewählte Trägermaterial muss für die Anwendung des Designers geeignet sein. Das Gehäusesubstrat ist ein wesentlicher Bestandteil des elektronischen Gehäuses und eine Brücke zwischen dem Chip und der externen Schaltung. Das Substrat spielt in der Verpackung folgende Rollen:

  • Realisieren Sie die Übertragung von Strom und Signalen zwischen dem Chip und der externen Schaltung
  • Schützt und unterstützt den Chip mechanisch
  • Es ist der Hauptweg für den Chip, um Wärme an die Außenwelt abzuführen

Aus materieller Sicht ist die Zu den üblicherweise verwendeten PCB-Substraten gehören das organische Substrat (FR-4), das Keramiksubstrat und das Metallsubstrat.

FR-4-Substrat

FR-4 Material gilt allgemein als das Standardsubstrat bei Leiterplatten. Die Kosten für FR-4-Material sind erschwinglich, was FR-4-Material zu einer Standardoption für Leiterplatten macht. Im Vergleich zu FR-1-, FR-2- und FR-3-Materialien ist FR-4-Material die beste Wahl, um einseitige bis mehrschichtige Leiterplatten herzustellen. FR ist ein Code für die Klasse von feuerbeständigen Materialien und 4 steht für das gewebte glasfaserverstärkte Epoxidharz. Es gibt verschiedene Arten von FR-4-Material, das in PCB verwendet wird, und die meisten von ihnen sind Verbundwerkstoffe aus Tera-Funktions-Epoxidharz, Füllstoff und Glasfaser. Die wichtigsten technischen Merkmale des FR-4-Materials sind eine stabile elektrische Isolierung, eine hervorragende Oberflächenebenheit und Standarddickentoleranzen, die alle das FR-4-Material für Produkte mit hohen Anforderungen an die elektronische Isolierung geeignet machen. Das FR-4-Material behält aufgrund seiner geringen Feuchtigkeitsaufnahme eine hohe mechanische Festigkeit und gute Isolierfähigkeit in trockenen und feuchten Umgebungen. Allerdings FR-4 PCB-Substratmaterial ist nicht für Hochfrequenz-PCB geeignet, da FR-4-Material einen höheren Verlustfaktor hat (Df), was bedeutet, dass mit steigender Signalfrequenz mehr Signale verloren gehen. Darüber hinaus ist FR-4-Material nicht für den Einsatz in Hochtemperaturumgebungen wie Luft- und Raumfahrtanwendungen geeignet.

Beispiele für FR-4 PCB-Substratmaterial:

  • Standard FR-4: Die Glasübergangstemperatur (Tg) dieser Art von FR-4 liegt zwischen 130 und 140
  • Mid Tg FR-4: Die Glasübergangstemperatur (Tg) dieser Art von FR-4 liegt zwischen 150 und 160
  • Hohe Tg FR-4: Die Glasübergangstemperatur (Tg) dieses Typs von FR-4 ist größer als 170
  • HDI-Material mit hoher Geschwindigkeit und sehr geringem Verlust: Ein Beispiel für dieses FR-4-Material ist das Isola I-Speed

Keramiksubstrat

Die Keramikplatte besteht aus wärmeleitfähigem Keramikpulver und organischem Klebstoff. Ähnlich wie der Begriff FR-4 bezieht sich Keramik auf eine Reihe von Materialien mit ähnlichen chemischen Strukturen und physikalischen Eigenschaften. Die keramischen Substrate von Leiterplatten sind meistens Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und Berylliumoxid. Auch Siliziumcarbid und Bornitrid sind weit verbreitete Keramiken mit ähnlichen Eigenschaften. Im Vergleich zum FR-4 PCB-Substrat hat die Keramikplatine eine höhere Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 9 bis 20 W/mk und hat einige Vorteile bei bestimmten Anwendungen. Keramik ist also ein ideales Material für eine neue Generation hochintegrierter Schaltungen und leistungselektronischer Module. Im Bereich der Hochleistungs-LED-Beleuchtung sind beispielsweise Keramik und Metall mit hervorragenden Wärmeableitungseigenschaften normalerweise zur Vorbereitung von PCB-Substraten verwendet. Weitere Vorteile der Keramikplatte sind:

  • Näherer Wärmeausdehnungskoeffizient an den Werten ihrer Leiterstruktur
  • Der Metallfilm mit geringerem Widerstand
  • Die hervorragende Lötbarkeit des Substrats und die hohe Einsatztemperatur
  • Der geringe Hochfrequenzverlust
  • Gute Isolierung
  • Die High-Density-Baugruppe
  • Die langfristige Nutzung in einer reduzierenden Umgebung
  • Die hohe Zuverlässigkeit in der Luft- und Raumfahrt
  • Erwünschte mechanische Festigkeit

Metallsubstrat

Das Metallsubstrat in PCB bedeutet, dass das Kernmaterial Metall ist, das schnell eine große Wärmemenge abführen kann, um eine Beschädigung der Komponenten zu verhindern. Gegenwärtig sind die am häufigsten verwendeten Metalle bei der Herstellung des Metallsubstrats Kupfer und Aluminium. Beide haben eine hervorragende Fähigkeit zur Wärmeübertragung. Im Vergleich zu Aluminium ist Kupfer teurer, schwerer und weniger steif. Daher ist Aluminium eine wirtschaftlichere Option bei der Auswahl des Metallsubstrats. Die Anwendungen des Metallsubstrats umfassen LED-Leuchten, industrielle Leistungsgeräte, Eingangs-Ausgangs-Verstärker, Halbleiter-Kühlgeräte usw.

Überprüfen Sie auch: Arten von Leiterplatten.

Referenz:

https://www.proto-electronics.com/blog/pcb-fr4-guide-printed-circuits

https://www.mclpcb.com

https://www.protoexpress.com/blog/choosing-hdi-materials/

https://resources.altium.com/p/ceramic-vs-fr4-multilayer-pcbs-when-use-either-and-how

https://www.protoexpress.com/blog/advantages-metal-core-printed-circuit-boards/

Referenz:

https://www.protoexpress.com/blog/wet-pcb-etching-acidic-alkaline-methods/