4.1 Basismaterialien

Klassifizierung nach IPC-4101

Die Anforderungen für Basismaterial sind in der "IPC-4101" definiert.
Die Standardqualität ist FR4 (FR5)

• FR … Flame Retardent, flammhemmend
• FR4 … Glasgewebe, Epoxidharz, flammhemmend
• FR4.1 … Glasgewebe, Epoxidharz, flammhemmend, halogenfrei (bzw. halogenarm)
• FR5 … Glasgewebe, Epoxidharz, flammhemmend, erhöhte Temperaturbeständigkeit

Leiterplatten Basismaterial besteht aus drei wesentlichen Bestandteilen:
Glas_____________Harz___________Kupfer

IPC-4101: Spezifikation für Basismaterialien für starre Leiterplatten und Multilayerleiterplatten

Je symmetrischer die Verteilung der Texzahl (Fadengewicht in g/km) in Schuss- bzw. Kettrichtung um so gleichmäßiger das Ausdehnungsverhalten in Schuss- bzw. Kettrichtung.
Je höher die Filamentdicke um so dimensionsstabiler das Gewebe.
Aufgrund der Vorspannung im Gewebe, die vor allem durch die Spannung des Glasgewebes bei der Beschichtung im „Treatprozess“ entsteht, ist das Schrumpfverhalten in Kettrichtung tendenziell größer als in Schussrichtung. Deshalb wird die Kettrichtung sowohl bei Laminaten, als auch bei Prepregs von den Herstellern ausgewiesen.

Typische Glasgewebetypen in der Leiterplatte:

IPC-4412: Specification for Finished Fabric Woven from "E" Glass for Printed Boards

Der Ausdehnungskoeffizient (α) des reinen Harzes wird durch die Molekulargewichtsverteilung bestimmt.
Der Ausdehnungskoeffizient (α) erhöht sich signifikant in Temperaturbereichen > der Glasübergangstemperatur Tg.

Faustregel: α(z-Richtung) ≈ α(Harz)

Füllstoffe können α(z-Richtung) beeinflussen.
Die Dimensionsstabilität von Laminaten und Prepregs wird in x-/y-Richtung primär durch das Glasgewebe beeinflusst.
Das Epoxidharz beeinflusst die Dimensionsstabilität in x-/y-Richtung sekundär.

Kupferfolien gibt es in verschiedenen Dicken (Tabelle rechts - Kupferfolien nach IPC-A-600).
Kupferfolien haben eine sogenannte Treatmentseite mit Rauigkeiten von ≈ 2-15 µm.
Diese Treatmentseite ist für die Haftfestigkeit auf dem Harz verantwortlich um erfüllt je nach Rauigkeit min. 1 N/mm².
Für Hochfrequenz Anwendungen werden wegen dem Skin-Effekt typischerweise Kupferfolien mit sehr niedriger Rauigkeit eingesetzt.

Skin-Effekt: Bei hohen Frequenzen wird der Stromfluss durch das magnetische HF-Feld aus dem Leiter verdrängt. Die leitende Schicht wird als Skintiefe oder Eindringtiefe δ bezeichnet.

IPC-4562: Metal Foil for Printed Wiring Applications

(*) Mindestdicke für Folienhersteller lt. IPC 4562 minus 10 %
(**) Mindestdicke nach Bearbeitung durch Leiterplattenherstellprozesse lt. IPC 6012

1) Thermische Eigenschaften
.....(Temperaturbeständigkeit)

2) Physikalische Eigenschaften
.....(Thermo-mechanische Stabilität)

3) Elektrische Eigenschaften

• Glasübergangstemperatur Tg
• Time to Delamination T260/T288
• Zersetzungstemperatur Td

• Thermische Ausdehnung
• Z-Achsen-Ausdehnung CTE-z
• Zyklenfestigkeit

• Hohe Datenrate/Hochfrequenz (Permittivität Dk,
  Dielektrischer Verlustfaktor Df)
• Kriechstromfestigkeit CTI
• Migrationsbeständigkeit CAF

Glasübergangstemperatur (Tg) zeigt an, wann bei welcher Temperatur die Harzmatrix vom glasartig, spröden in den plastisch, weichen Zustand übergeht.

• Tg = Knick- oder Wendepunkt in der Kurve
• Tg ist abhängig vom Vernetzungsgrad der Harzmatrix (Anzahl der Epoxidgruppen je Molekül)
• Vernetzungsgrad ↗ Tg ↗
• Der Tg-Wert gibt ausschließlich Auskunft über die Dauereinsatztemperatur der Leiterplatte
• Die Werte liegen üblicherweise zwischen 130 °C und 260 °C

• Methoden liefern unterschiedliche Ergebnisse:
  Tg (DMA) > Tg (DSC) > Tg (TMA)
• Richtwert: Tg(TMA) = Tg(DSC) – 10 °C = Tg(DMA) – 20 °C
• Vergleichsgrundlage in Datenblättern und Veröffentlichungen ist üblicherweise Tg (DSC)

TMA - Thermal Mechanical Analysis
Tg-Bestimmung durch Änderung des Ausdehnungsverhaltens

DSC - Differential Scanning Calorimetry
Tg-Bestimmung durch Wärmekapazitätsänderung

DMA - Dynamic Mechanical Analysis
Tg-Bestimmung durch Änderung des E-Moduls und Dämpfungsverhaltens

Glasübergangstemperatur Tg - Dauereinsatztemperatur

Übersicht typischer Temperaturen von Leiterplattenprozessen

Faustregel: Arbeitstemperatur = Tg (DSC) – 30 Kelvin

• Je höher der Tg, desto länger bleibt der Ausdehnungskoeffizient z-CTE α₁ über einen größeren Temperaturbereich konstant
  (mehr dazu bei den physikalischen Eigenschaften)
• Kurzzeitige Überschreitungen sind zulässig (Herstellung, Löten)

Time to Delamination zeigt an, nach welcher Zeit in Abhängigkeit der Temperatur (260 °C oder 288 °C) eine Delamination im Materialverbund eintritt.

• Verbundauflösung zwischen Glasfaser-Harz bzw. Kupfer-Harz
• T260/T288 ist abhängig von der Harzmatrix (Härter, Flammhemmer,..)

--- Härtung mit Dicyandiamid (Standard FR4)....................................T260/T288 →
--- Phosphorische Flammhemmer (halogenfreies FR4)................T260/T288 ↗
--- Härtung mit phenolischem Härter (thermostabiles FR4)....T260/T288 ↑

• Je höher der T260/T288 desto geringer die Gefahr von Verbundstörungen im Basismaterial bei dauerhafter oder zyklischer Temperaturbelastung
• Hoher T260/T288 bietet Sicherheitsreserven für bleifreie Herstellung und Verarbeitung

Kenngröße für temperaturstabiles Basismaterial: T260 > 30 min, T288 > 5 min
Faustregel: Je höher die Temperatur, desto kürzer die Lötzinn-Kontaktzeit

Die Zersetzungstemperatur Td zeigt an, bei welcher Temperatur eine signifikante Zersetzung der Harzmatrix stattfindet. TD-Punkt (Decomposition Temperature) Td = Zersetzungspunkt der Harzpolymere

• Temperatur des beginnenden Masseverlustes bzw. Temperatur bei 5 % Masseverlust (Td 5 %)
• Td ist abhängig von der Harzmatrix (Härter, Flammhemmer,..)

--- Härtung mit Dicyandiamid (Standard-FR4)........................................Td →
--- Phosphorische Flammhemmer (halogenfreies FR4)......................Td ↗
--- Härtung mit phenolischem Härter (thermostabiles FR4)...........Td ↑

Kenngröße für temperaturstabiles Basismaterial: Td (5 %) > 325 °C

• Je höher der Td desto geringer die Vorschädigung des Basismaterials bei Temperaturbelastung


• Hoher Td bietet Sicherheitsreserven für bleifreie Herstellung und Verarbeitung

Thermo-mechanische Stabilität CTE (Coefficient of Thermal Expansion)

CTE-z / Tg-Bestimmung mit TMA-Methode

• Thermisches Ausdehnungsverhalten des Basismaterials in X-Y-Richtung
• Thermisches Ausdehnungsverhalten des Basismaterials in Z-Richtung
• Neben Lochdurchmesser, Kupferdicke im Loch und Dicke der Leiterplatte ist das Ausdehnungsverhalten in Z-Richtung entscheidend für die Zyklenfestigkeit
• Übergangspunkt ist abhängig vom Vernetzungsgrad der Harzmatrix (siehe Tg)
• C-CTE ist u. a. abhängig von anorganischen Füllstoffen in der Harzmatrix (SiO2, Mg(OH)2, Al(OH)3,..)
• Der CTE-Wert über Tg steigt stark an (typisch > 180 ppm/K)
• Die Ausdehnung in X und Y–Richtung spielt im Vergleich zur Z-Richtung eine geringe Rolle (Werte 12-17 ppm/K)

Zyklentest nach IPC-TM-650 2.6.7.2

IPC-TM-650 2.6.7.2 Test-Konditionen

Zyklentests werden anhand von vorgegebenen Test-Konditionen und Prüfkriterien in sogenannten Temperaturwechselschränken durchgeführt.
In der IPC Richtlinie für Testmethoden IPC-TM-650 sind zum Thema Zyklenfestigkeit/Zyklentests sechs verschiedene Test-Konditionen (A bis F) definiert.

Beispiel Test Konditionen D:
Untere Prüftemperatur Ta: - 55 °C
Obere Prüftemperatur Tb: + 125 °C
Verweildauer t1: 15 min

Z-Richtung

• Verwendung thermostabiler, zyklenfester Basismaterialien (Füllstoffe)
• Optimierter Lagenaufbau
• Verwendung harzoptimierter Prepregs
• Einsatz von chemisch NiAu-Oberfläche (Klammerwirkung Ni)

X-Y-Richtung

• Richtungsorientierte ML-Schichtung (Beachtung Schuss-/ Kettrichtung)
• „Sortenreine“ Verpressung
• Auswahl geeigneter Materialien bei Prepregs und Innenlagen
• Anpassung des Pressprogramms an den Schichtungsaufbau und die Materialeigenschaften
• Gewährleistung einer optimalen Wärmeverteilung im Presspaket
• Kompensation des Schrumpfverhaltens des Presslings durch Anpassung des Innenlagenlayouts (Skalierungsfaktor)

Sowohl für eine Hochfrequenz Applikation, als auch für eine hochlagige High Speed Schaltung sind neben den üblichen Materialeigenschaften zusätzlich die Permittivität (Dk) und der dielektrischer Verlustfaktor (Df) entscheidend.
Dafür werden Hybrid-Aufbauten mit Hochfrequenzlaminaten in Kombination mit Standard-FR4 und auch sortenreine Multilayer mit Materialien mit den entsprechenden Dk und Df Werten eingesetzt.

Mehr erfahren unter
3.3.1 Hochfrequenzleiterplatte | Allgemeines
3.3.2 Hochfrequenzleiterplatte | Design Rules

Die Kriechstromfestigkeit kennzeichnet die Isolationsfestigkeit der Oberfläche (Kriechstrecke) von Isolierstoffen, insbesondere unter Einwirkung von Feuchtigkeit und Verunreinigungen.

Eine hohe Kriechstromfestigkeit bedeutet, dass messbare Ströme auf der Oberfläche des Prüfkörpers erst bei Anlegen einer entsprechend hohen Spannung entstehen.

Die Kriechstromfestigkeit wird mit dem CTI-Wert (Comparative Tracking Index) bestimmt. Der CTI-Wert sagt aus, bis zu welcher Spannung das Basismaterial kein Tracking (Basismaterial wird unter Spannung leitfähig) zeigt, wenn 50 Tropfen (alle 30 sec 1 Tropfen) genormter Elektrolytlösung aufgetropft werden.

Ausfallskriterium ist ein Kriechstrom von > 0,5 A.

Migration zwischen Leitern, in gleicher Ebene und zwischen zwei Ebenen

Migration zwischen Bohrungen bzw. Bohrung und Leiter

Material

• Glasgewebe
• Ionische Verunreinigungen
• Abstimmung Glas Harz
• Benetzbarkeit des Glases

Layout

• Bohrungsabstand
• Leiterbahnabstand
• Single-Ply-Aufbauten

Leiterplattenherstellung

• Bohrqualität
• Reinigung der Bohrwand
• Rückverkupferung (Dochteffekt)
• Pressvorgang (bedingt)

Testbedingungen

• Temperatur
• Feuchtigkeit
• Spannung
• Abstand (Anode ↔ Kathode)
• Ionische Verunreinigungen

In der IPC Richtlinie für Testmethoden IPC-TM-650 2.6.25A sind zum Thema Migrationsbeständigkeit CAF Test-Konditionen definiert.

Die unterschiedlichen Prüfkriterien sind in der Tabelle rechts zusammengefasst.

Bei Lagerung bei 23 °C und 50 % rel. Luftfeuchte liegt die Sättigung bei 0,2 bis 0,3 %.

Bei Lagerung bei 23 °C und 70 % rel. Luftfeuchte wird die zulässige Obergrenze bzgl. Feuchtigkeitsgehalt nach ca. 14 Tagen überschritten!

Bei Lagerung bei 40 °C und 96 % rel. Luftfeuchte liegt die Sättigung bei 0,3 bis 0,7 %.

Hoch-Tg Materialen und vor allem Polyimid nehmen deutlich mehr Feuchtigkeit auf!

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Unser Technischer Support beantwortet gerne weitere Fragen zu diesem XPERTS Thema.