CAD, Leiterplatten- und Baugruppentechnik, Teil 1

Die Eigenschaften von Basismaterialien für elektronische Baugruppen

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Technische Eigenschaften von FR4

Die absehbare Zukunft gehört dem FR4 und seinen Derivaten. Das Material ist stabil, die Isolation ist zuverlässig, das dielektrische Verhalten ist brauchbar, die Kosten sind akzeptabel, die Verarbeitung ist etabliert und die Hitzebeständigkeit ist tolerabel.

Die Derivate werden im Wesentlichen durch eine Modifikation der Epoxydharzmatrix erzeugt. Im Sog der Umstellung auf bleifreie Elektronik (~ RoHS) ist es üblich geworden, einen Teil des Harzvolumens gegen mineralische Füllstoffe auszutauschen. Damit wird die temperaturbedingte verstärkte Z-Achsen-Ausdehnung der Leiterplatte hinausgezögert (Kenngröße CTE(z) = „Coefficient of thermal expansion“).

In Folge der höheren Temperaturbelastbarkeit reduziert sich die Wahrscheinlichkeit, dass die Leiterplatte während der Baugruppenproduktion beim Löten Schaden nimmt.

Man spricht dann von „FR4 mit einem höheren Tg-Wert“ oder auch von „Hoch-Tg-Material“. Der Standardwert für FR4 liegt bei 130°, höhere Tg-Werte sind 150° oder 175°, je nach Materialhersteller.

Allgemein wird „Tg“ etwas irreführend mit „Glasumwandlungstemperatur“ übersetzt. Gemeint ist aber, dass das Epoxydharzgefüge ab Erreichen des Tg-Wertes weich und elastisch wird und dass demzufolge die Z-Achsen-Ausdehnung erheblich zunimmt.

Fehlerereignisse sind dann Risse der kontaktierten Vias und/oder Abrisse der innenliegenden Leiterbahnen von den Viahülsen. Es können auch Delaminationen auftreten, die zu einer partiellen Auflösung des verpreßten Materialverbundes führen. Die Folge ist üblicherweise ein Ausfall der Baugruppe.

Dauerbetriebstemperatur einer Baugruppe mit FR4-Material sollte 95 bis 100°C nicht überschreiten

Ein höherer Tg-Wert erhöht die Dauerbetriebstemperatur einer Baugruppe nicht. Die Dauerbetriebstemperatur ist im Wesentlichen von der Epoxydharzmatrix abhängig und sollte bei FR4-Material 95 bis 100° nicht überschreiten.

Eine weitere Kenngröße ist der Td-Wert . „Td“ steht für „Time to Decomposition“ und beschreibt den Temperaturwert, bei dem das Material 5% seiner Masse durch Ausgasen/Verdampfen verloren hat.

Seit Einführung der SMD-Technologie haben die Anforderungen an das Basismaterial zugenommen. Die Reduzierung der Bauformen für SMD-Bauteile führt auch zu einer Reduzierung der SMD-Flächen auf der Leiterplatte, weil sonst ein zuverlässiges Löten nicht möglich ist (i.e. verdrehte Bauteile, Tombstoning).

Wenn ein SMD-Pad kleiner wird, dann wird auch die Grundfläche kleiner, mit der dieses Pad auf der Leiterplatte haftet. Einfache mechanische Belastungen, Vibration und Brems- oder Beschleunigungskräfte können zu einem Abriß des Bauteiles führen.

Das Reflowlöten reduziert die Haftung zwischen SMD-Pad und Leiterplatte zusätzlich um bis zu 75%, je nach Basismaterialtyp, Leiterplattenoberfläche und Anzahl der Reflowzyklen.

Leider führen die Maßnahmen zum Erlangen eines hohen Tg-Wertes im Gegenzug oft zu einer Reduzierung der Kupferhaftung. Man findet bei Standardmaterial Abzugskräfte von zirka 2 N/mm, die bei Hoch-Tg-Material auf bis zu 0.8 N/mm absinken können.

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