Basismaterialien

Die Auswahl der Oberflächenbehandlung und die Optimierung des Designs sind wichtige Schritte, um gewährleisten zu können, dass Ihr Produkt ordnungsgemäß funktioniert. Aber ist dies wirklich das Ende des Verfahrens? Nein, denn es muss auch gewährleistet sein, dass die angegebenen Materialien in der Fabrik zur Verfügung stehen, und dass die Fabrik für die Verwendung solcher Materialien UL-zugelassen ist.

Beim Material bieten sich viele Optionen. Mit unserem technischen Wissen können wir Ihnen jedoch bei der Materialauswahl und den Materialspezifikationen unterstützend zur Seite stehen.

Starres Material

Wie sollte das Material eingegrenzt werden?

Unsere Empfehlung lautet, dass man sich, wo immer möglich, nicht auf eine spezielle Marke oder Materialart festlegen sollte, da dies die Lieferkettenoptionen für das Projekt einschränken könnte.

Viele bekannte Materialmarken finden regelmäßigen Einsatz in unseren Fabriken. Allerdings kommt es immer wieder vor, dass Fabriken bestimmte Materialtypen für die erforderliche Materialspezifikation verfügbar haben bzw. vorziehen. Die Verfügbarkeit und auch der Preis können dann zum entscheidenden Faktor für die Wahl der Marke werden.

Das bedeutet nicht, dass Sie nicht bekannte Materialien festlegen können, ganz im Gegenteil. Wenn Sie Erfahrungen mit einem bestimmten Material haben, von dem Sie wissen, dass es für Ihr Produkt geeignet ist, dann können Sie einfach durch einen Vermerk darauf verweisen und „oder Entsprechendes“ anfügen. Unsere Techniker und Beschaffungsmitarbeiter werden dies prüfen und Ihnen eine Alternative anbieten, die die funktionalen Anforderungen erfüllt, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Jeder bekannte Materialhersteller hat sein Material nach IPC 4101 klassifiziert (die Richtlinie für Basismaterialien für starre und gedruckte Multilayer-Leiterplatten), so dass diese Spezifikation zur Bestimmung und Kategorisierung von Leistungsmerkmalen dienen kann. Die Nutzung dieser Kategorisierung ist besonders geeignet, da sie die Merkmale des Basismaterials detailliert festlegt und es so der Fabrik ermöglicht, durch das Zugrundelegen der IPC-4101-Kategorisierung eine gezielte Auswahl zu treffen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Leistung nicht hinter den Erwartungen zurückbleibt.

Wenn Sie weitere Informationen zu IPC 4101 oder Methoden zur Materialbestimmung wünschen, wenden Sie sich bitte an die NCAB Group, die Ihnen gerne weiterhilft.

Die wesentlichen Faktoren bei der Bestimmung von Materialeigenschaften

Bei Überlegungen hinsichtlich der Leistungsmerkmale des Basismaterials sollten sowohl die mechanischen Eigenschaften (insbesondere bezüglich des Verhaltens des Materials bei Temperaturwechselbelastung / Lötverfahren) als auch die mit dem Material verbundenen elektrischen Eigenschaften in Betracht gezogen werden. Diese beiden Faktoren werden bei der Auswahl von Standardprodukten am häufigsten berücksichtigt. Dieser Hinweis basiert auf sämtlichen Materialien, von denen angenommen wird, dass sie die UL-Einstufung zum Entflammbarkeitsgrad von V-0 erfüllen.

Die wesentlichen Materialeigenschaften sind nachstehend aufgeführt.

  • CTE – z-Achse (Wärmeausdehnungskoeffizient): Dies ist ein Maß dafür, wie stark sich das Basismaterial beim Erwärmen ausdehnt. Gemessen als ppm/°C (sowohl vor als auch nach Tg) und auch in % über einen Temperaturbereich.
  • Td (Zersetzungstemperatur): Dies ist die Temperatur, bei der sich das Materialgewicht um 5% ändert. Dieser Parameter bestimmt die thermische Beständigkeit des Materials.
  • Tg (Glasübergangstemperatur): Die Temperatur, bei der das Material nicht mehr wie ein starres Material wirkt und beginnt sich wie ein Kunststoff / weicher zu verhalten.
  • T260 (Thermische Beständigkeit, Zeit bis zur Delamination): Dies ist die Zeit, die es braucht bis das Basismaterial delaminiert, wenn es einer Temperstur von 260°C ausgesetzt ist.
  • T288 (Thermische Beständigkeit, Zeit bis zur Delamination): Dies ist die Zeit, die es braucht bis das Basismaterial delaminiert, wenn es einer Temperstur von 288°C ausgesetzt ist.
  • Dk (Dielektrizitätskonstante): Das Verhältnis der Kapazität unter Verwendung dieses Materials als ein Dielektrikum, verglichen zu einem ähnlichen Kondensator, der ein Vakuum als Dielektrikum aufweist.
  • CTI (Kriechstromfestigkeit): Eine Maßeinheit für die elektrische Durchschlagseigenschaft eines Isoliermaterials. Es wird zur Beurteilung der elektrischen Sicherheit von elektrischen Geräten verwendet. Die Bewertung ist unten zu sehen.
Tracking Index (V) PLC
600 and greater0
400 through 5991
250 through 3992
175 through 2493
100 through 1744
< 1005

Die nachstehende Übersicht ist ein Auszug von bestimmten Merkmalen aus den IPC-4101-Klassifizierungen, wobei einige Details, die bereits erwähnt wurden, hervorgehoben sind.

IPC-4101 99101121 124126127 128129130
Tg (min) C150110110150170110150170170
Td (min) C325310310325340310325340340
CTE Z 50-260 C3,5%4%4%3,50%3%4%3,50%3,50%3%
T260 (min) minutes303030303030303030
T288 (min) minutes555515551515
Fillers > 5%YesYesNANAYesYesYesNAYes
Dk/Permittivity (max)5,45,45,45,45,45,45,45,45,4

Isoliertes Metallsubstrat (IMS) – Eine wirksame Technologie zur Wärmeableitung

Neue Möglichkeiten mit isoliertem Metallsubstrat

Bei größeren Energiemengen oder lokalen thermischen Belastungen, z.B. in modernen Baugruppen mit High-Intensity-LEDs, kann die IMS-Technologie eingesetzt werden. Die Abkürzung IMS steht für „Isoliertes Metallsubstrat“. Hierbei handelt es sich um eine Leiterplatte, die auf eine Metallplatte– üblicherweise aus Aluminium – montiert ist, auf die ein spezielles Prepreg aufgetragen wird, dessen wesentliche Eigenschaften eine exzellente Wärmeableitung und eine ausgezeichnete dielektrische Durchschlagfestigkeit bei hohen Spannungswerten ist. Gemeinsam mit EBV und einer Reihe anderer Unternehmen war NCAB an der Entwicklung eines Demo-Produkts beteiligt. Das Ziel hierbei ist, die Aufmerksamkeit des Marktes auf die Möglichkeiten einer Verbindung von High-Intensity-LEDs und IMS-Technologie zu lenken.

Der bedeutendste Bestandteil – das wärmeleitende Prepreg – ist ein Keramik- oder Bor-gefülltes Material, das speziell für die Ableitung großer Wärmemengen hergestellt wird. Seine Wärmeableitung ist häufig 8-12 Mal größer als die von FR4.

Die Vorteile von IMS-Leiterplatten bei der Wärmeableitung

Eine IMS-Leiterplatte kann mit einem sehr geringen thermischen Widerstand konstruiert werden. Wenn Sie beispielsweise eine 1,60 mm-FR4-Leiterplatte mit einer IMS-Leiterplatte mit einem thermischen Prepreg von 0,15 mm vergleichen, werden Sie feststellen, dass der thermische Widerstand einer FR4-Leiterplatte mehr als das 100-fache beträgt. Beim FR4-Produkt wäre es sehr schwierig, größere Wärmemengen abzuleiten.

NCAB kann eine große Palette an Materialien anbieten, um sämtliche Anforderungen des Kunden zu erfüllen – sei es die exakte Marke oder, wie oben bereits dargelegt, ein Material gemäß IPC-4101-Klassifizierung/ -Materialeigenschaften. Die erhältlichen Materialien sind in vier Gruppen unterteilt – Standard (weitverbreitet erhältlich), Advanced (nur in einer geringen Anzahl von Fabriken erhältlich), Flexibel und IMS.
Als weitere Lösung steht beispielsweise die Kombination von FR4-Material mit Durchkontaktierungen zur Auswahl, die mit einer wärmeleitenden Paste gefüllt sind, wodurch die Leiterplatte bessere thermische Eigenschaften als normalerweise aufweist. Hierbei handelt es sich häufig um eine kostengünstige Lösung, da eine herkömmliche FR4-Technologie eingesetzt werden kann.

DINGE, DIE ES ZU BEDENKEN GILT:
Wenn es um die Leistungsmerkmale des Basismaterials geht, sollte man neben den mechanischen Eigenschaften (insbesondere in Bezug darauf, wie das Material sich während Temperaturzyklen / des Lötvorganges verhält) sein Augenmerk auch auf die elektrischen Eigenschaften, die dem Material zugeschrieben werden, legen.

Sollten Sie Fragen zum Basismaterial haben, kontaktieren Sie einfach Ihre NCAB-Niederlassung vor Ort.

Materialempfehlungen

Im Folgenden sind die Materialempfehlungen für verschiedene Bedingungen und Technologien aufgelistet. Beachten Sie jedoch, dass diese Empfehlungen lediglich zur groben Orientierung dienen. Wir empfehlen, dass Kunden ihren Prozess evaluieren und die Faktoren ermitteln, denen das Material widerstehen muss, zum Beispiel Peak-Temperatur, Zeitdauer über dem Schmelzpunkt sowie die Anforderungen bezüglich Td, T260 und T288.

Materialien gemäß IPC 4101/121 (Tg mind. 130 °C)

Total thickness ≤ 1.60mm
Number of layers1 to 4
Copper< 70µm

Material gemäß IPC 4101/99 oder /124

Total thickness ≤ 2.40mm
Number of layers6 to 12
Copper≤ 70µm
Blind / Buried vias / µvias

Material gemäß IPC 4101/126 oder /129 

Total thickness>2.40mm
Number of layers12+
Copper> 70µm
Blind / Buried vias / µvias

Die Praxis zeigt, dass Materialien, die IPC-4101C/21 entsprechen, für das bleifreie Löten geeignet sind, solange die Leiterplattentechnologie nicht komplex ist, zum Beispiel bei niedriglagigen Leiterplatten. Auch diese Standardmaterialien sind nicht geeignet für heiße, kalte, feuchte und ätzende Umgebungen.
Die Standardmaterialien nach IPC-4101C/121 sind für alle unsere Fabriken zugelassen. Grundsätzlich gilt es zu prüfen, ob die Delaminierungszeit bei  T260 °C oder T288 °C für Ihren Lötprozess ausreichend ist. Bei diesen Punkten kann es erforderlich sein, hochwertige Materialien einzusetzen.