Ausführlicher Überblick über die PCB-Laminatkonstruktion

Leiterplatten sind das Rückgrat moderner Elektronik und bieten eine Plattform für die nahtlose Verbindung und Funktion verschiedener Komponenten. Das Herzstück jeder Leiterplatte ist eine komplexe Struktur miteinander verbundener Schichten, die jeweils einem bestimmten Zweck dienen und die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Leiterplatte gewährleisten. Unter den Schlüsselelementen einer Leiterplatten-Laminatkonstruktion spielen Stapeldiagramme eine entscheidende Rolle bei der Definition der Leiterplattenkonstruktion und elektrische Eigenschaften. Das Verständnis dieser PCB-Laminatkonstruktion ist für PCB-Designer und -Hersteller von entscheidender Bedeutung, um effiziente und qualitativ hochwertige Leiterplatten zu erstellen.

Das Wesen einer Leiterplatte (PCB) liegt in ihrer komplizierten Struktur, die aus mehreren Schichten besteht, die durch Prepregs und Kernmaterialien miteinander verbunden sind.

Prepreg, oft auch als B-Phase-Harzinprägung bezeichnet, ist ein teilgehärtetes Material aus dünnen, mit Harz getränkten Folien. Es erfüllt in der Herstellung mehrlagiger Leiterplatten zwei Funktionen : Es dient als Klebstoff für die inneren Leiterbahnen und sorgt gleichzeitig für die Isolation zwischen den Lagen. Beim Laminieren schmilzt, fließt und erstarrt das Epoxidharz des Prepregs und verbindet so die Leiterbahnen effektiv miteinander, während gleichzeitig eine zuverlässige Isolationsschicht zwischen ihnen entsteht.

Das Kernmaterial bildet das Fundament einer Leiterplatte – eine starre Platine mit definierter Dicke und beidseitig laminierter Kupferfolie. Eine typische mehrlagige Leiterplatte wird durch das Laminieren abwechselnder Kern- und Prepreg-Lagen hergestellt. Die Prepreg-Lagen, die als Imprägnierschichten bezeichnet werden, verbinden mehrere Kernlagen miteinander und schrumpfen trotz ihrer anfänglichen Dicke während des Pressvorgangs. Für eine verlustarme Konstruktion sollte die HVLP-Kupfer-Durchkontaktierung zusammen mit den dielektrischen Schichten spezifiziert werden, da die Leiterbahnrauheit das Kanalmodell beeinflusst.

Typischerweise sind die beiden äußersten dielektrischen Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte Imprägnierungsschichten, die von separaten Kupferfolienschichten bedeckt sind, die als äußere leitende Ebenen dienen. Die Rohdickenspezifikationen für äußere und innere Kupferfolien liegen üblicherweise in den Varianten 0.5 Unzen, 1 Unzen und 2 Unzen vor (wobei 1 Unze etwa 35 µm oder 1.4 Mil entspricht). Durch die Nachbearbeitung nimmt die Dicke der äußeren Kupferfolienschicht typischerweise um fast 1 Unze zu, während die endgültige Dicke der inneren Kupferfolie nahe am ursprünglichen Wert bleibt, sich jedoch aufgrund des Ätzens leicht verringern kann.

Die äußerste Schicht einer mehrlagigen Leiterplatte besteht aus der Lötstoppmaske , umgangssprachlich auch „Grünes Öl“ genannt, obwohl sie auch gelb oder andersfarbig sein kann. Die Dicke der Lötstoppmaske lässt sich nicht genau bestimmen, da sie in Bereichen ohne Kupfer dicker ist als in Bereichen mit Kupfer. Dennoch ist das hervorstehende Kupfer bei haptischer Prüfung der Leiterplattenoberfläche spürbar.

PCB-Parameter und Materialien

Bei verschiedenen Herstellern gibt es Unterschiede in den PCB-Parametern, die eine Kommunikation mit den PCB-Fabrikingenieuren erforderlich machen, um deren spezifische Daten zu erhalten, wobei der Schwerpunkt hauptsächlich auf der Dielektrizitätskonstante und der Lötstopplackdicke liegt, die von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich sein können.

Die verfügbaren Dicken der äußeren Kupferschicht betragen 12 µm, 18 µm und 35 µm. Nach der Verarbeitung ergeben sich daraus in der Regel Enddicken von ca. 44 µm, 50 µm und 67 µm, was ungefähr einem Kupfergewicht von 1 oz, 1.5 oz bzw. 2 oz entspricht. Bitte beachten Sie, dass bei der Verwendung von Impedanzberechnungssoftware zur Steuerung keine Option für eine Kupferdicke von 0.5 oz für die äußeren Schichten besteht.

Als Kernmaterial wird üblicherweise S1141A verwendet. Dabei handelt es sich um ein standardmäßiges FR-4-Material mit beidseitiger Kupferkaschierung, dessen Spezifikationen direkt beim Hersteller erfragt werden können.

Prepregs sind in verschiedenen Dicken erhältlich, z. B. 7628 (0.185 mm/7.4 mil), 2116 (0.105 mm/4.2 mil), 1080 (0.075 mm/3 mil) und 3313 (0.095 mm/4 mil). Bei der Kompression verringert sich die Dicke üblicherweise um 10–15 µm (0.5–1 mil). Daher muss die minimale Dicke der dielektrischen Schicht in einem Schichtaufbau mindestens 3 mil betragen. Für eine einzelne Imprägnierungsschicht können bis zu drei Prepregs verwendet werden, wobei keines der drei die gleiche Dicke aufweisen darf. Mindestens ein Prepreg ist erforderlich, einige Hersteller fordern jedoch mindestens zwei. Reicht die Dicke des Prepregs nicht aus, kann die Kupferfolie auf beiden Seiten des Kerns weggeätzt und anschließend mit Prepregs wieder angebracht werden, um eine dickere Imprägnierungsschicht zu erzielen. Die Dielektrizitätskonstante von Prepregs variiert mit ihrer Dicke. Die folgende Tabelle listet die Dicken verschiedener Modelle und ihre entsprechenden Dielektrizitätskonstanten auf:

Die Dielektrizitätskonstante einer Laminatplatte hängt vom verwendeten Harzmaterial ab; FR4-Platten weisen typischerweise einen Dielektrizitätskonstantenbereich von 4.2 bis 4.7 auf, der mit zunehmender Frequenz abnimmt.

Lötstopplackschicht: Die Dicke der Lötstopplackschicht über der Kupferfolie (C2) beträgt ca. 8–10 µm. Die Dicke des Lötstopplacks in den kupferfreien Bereichen (C1) variiert in Abhängigkeit von der Kupferoberflächendicke: ca. 13–15 µm bei 45 µm und ca. 17–18 µm bei 70 µm Kupfer. Für die Berechnung mit SI9000 genügt ein Wert von 0.5 oz für die Lötstopplackdicke.

Leiterquerschnitt: Aufgrund des Ätzprozesses ist der Leiterquerschnitt nicht rechteckig, sondern trapezförmig. Beispielsweise ist in der obersten Schicht bei einer Kupferfoliendicke von 1 oz die obere Basis des Trapezes etwa 1 MIL kürzer als die untere. Bei einer geplanten Leiterbahnbreite von W = 5 MIL beträgt die obere Breite somit etwa 4 MIL und die untere 5 MIL. Der Unterschied zwischen oberer und unterer Basis hängt von der Kupferdicke ab, wie die folgende Tabelle unter verschiedenen Bedingungen zeigt:

Impedanzberechnungen Typische Impedanzberechnungen verwenden die folgenden Modelle:

• Mikrostreifenleitungsmodell
• Stripline-Modell

Beim Mikrostreifenmodell gibt es andere Konfigurationen, darunter ein ungenutztes Modell ohne Beschichtung. Die Dielektrizitätskonstanten Er1 und Er2 im dargestellten Modell hängen vom jeweils verwendeten Prepreg-Modell ab; Die wichtigsten Modelle sind oben aufgeführt. Detaillierte Parameter sollten direkt beim Leiterplattenhersteller erfragt werden.

Wenn das Projekt von der Recherchephase zur Angebotsanfrage übergeht, überprüfen Sie die Auswahl des PCB-Laminats und die Feinraster-BGA-Bestückung, um sicherzustellen, dass die Anforderungen an Material, Prozess und Inspektion weiterhin aufeinander abgestimmt sind.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis der komplexen Struktur und der Materialien einer Leiterplatte (PCB) entscheidend für die Entwicklung und Fertigung hochwertiger elektronischer Geräte ist. Prepreg- und Kernmaterialien spielen eine wesentliche Rolle beim Verbinden der Lagen und der Isolierung, während Kupferfolien und Lötstopplacke zur Leitfähigkeit und zum Schutz der Leiterplatte beitragen.

Unterschiede in den PCB-Parametern und -Materialien zwischen den Herstellern verdeutlichen die Bedeutung der Kommunikation und der Beschaffung spezifischer Daten für jedes Projekt. Stapeldiagramme sind unschätzbar wertvolle Hilfsmittel und liefern einen Überblick über den Aufbau und die elektrischen Eigenschaften der Leiterplatte.

Durch das Verständnis der Schlüsselelemente von Stapeldiagrammen können Designer die Integrität und Zuverlässigkeit ihrer PCB-Designs sicherstellen, was letztendlich zu leistungsfähigeren und robusteren elektronischen Geräten führt.