Basismaterialherstellung einer Leiterplatte

In der Imprägnieranlage werden zunächst das Grundharz, Lösungsmittel, Härter, Beschleuniger gemischt. Dem können noch andere Stoffe zugesetzt werden, wie z. B. Farbpigmente, Flammschutzmittel und Flexibilisatoren. Die Trägerstoffe (z. B. Papier, Glasgewebe, Aramidgewebe) werden in Rollen angeliefert, so dass der Prozess fortlaufend durchgeführt werden kann. Nachdem der Träger über Umlenkrollen durch das Bad gezogen wurde (Tränkung), wird das Material im Ofen getrocknet. Dabei verdunstet nicht nur das Lösungsmittel, sondern auch das Harz erreicht durch die Wärmezufuhr einen Zwischenzustand – das Harz härtet noch nicht vollständig aus, bei erneuter Wärmezufuhr wird es zunächst wieder klebrig und härtet erst dann aus. Dieses Halbzeug aus Harz und Träger nennt man Prepreg. Es wird zur Herstellung der Leiterplatten verwendet, indem die Lagen unter Wärmeeinfluss verpresst werden. Bei Multilayer-Leiterplatten werden mehrere Schichten Basismaterial und Kupfer nacheinander verpresst und geätzt.

Gängige Basismaterialien

Bezeichnung	Verstärkung	Harz	Kostenvergleich mit FR4	Glas-Temperatur Tg
FR2	Papier	Phenol	0,3	80°C
FR3	Papier	Epoxy	0,6	100°C
CEM1	Papier	Epoxy	0,7
CEM3	Glasvlies	Epoxy	0,8
FR4 Standard	Glas	Di/Tetra-Epoxy	1,0	125-150°C
FR4 Halogenfrei	Glas	Di/Tetra-Epoxy	1,3	125-150°C
FR5	Glas	Tetra/Multi-Epoxy	1,5	150-185°C
FR5 BT	Glas	BT-Epoxy	3	190-240°C [2] [3]
Polyimid	Glas	Polyimid	5	240-270°C
Teflon	Glas	Teflon	8	260-320°C

Wichtige Kenndaten:

• Thermische Eigenschaften
• Elektrische Eigenschaften
• Mechanische Eigenschaften
• Chemische Eigenschaften

Einpresstechnik und andere Lötalternativen

Als Alternative zum Verlöten der Bauteilanschlüsse auf einer Leiterplatte gibt es die Einpresstechnik. Dabei werden elastische oder starre Stifte in eng tolerierte und metallisierte Bohrungen der Leiterplatte gepresst. Aufgrund der plastischen Verformung der beteiligten Metalle ergeben sich sichere elektrische Verbindungen auch ohne Löten. Als eine Hauptanwendung hat sich das Einpressen von vielpoligen Steckern und Gewindebolzen etabliert. Eine weitere Möglichkeit ergibt sich durch die Verwendung von Klebstoff. Dabei wählt man zwischen elektrisch nichtleitenden bzw. leitfähigen isotropen und anisotropen Klebstoffen. Eine weitere Technik ist das Bonden. Dabei werden gedünnte (flacher geätzte oder geschliffene) Chips ohne Gehäuse auf die Leiterplatte geklebt oder gelötet (Chipbonden) und mittels dünner Drähte mit den entsprechenden Kontakten auf der Leiterplatte verbunden (siehe Drahtbonden). Die auf Leiterplatten gebondeten Chips und Bonddrähte werden durch lichtabsorbierendes Kunstharz geschützt.

Flexible Leiterplatten

Alternativ zu festen Leiterplatten finden auch dünne Flexleiterplatten z. B. auf Basis von Polyimid-Folien Verwendung. Die damit aufgebauten Flexschaltungen sind zwar teurer, können jedoch platzsparend durch Falten in engsten Strukturen z. B. in Fotoapparaten und Videokameras eingesetzt werden.

Flexible Verbindungen für dauernde Beanspruchung, z. B. in Tintenstrahldruckern, werden häufig ebenfalls als Polyimid-Folien-Leiterplatte ausgebildet.

Wird allerdings nur ein nicht dauerhaft flexibler Bereich in der Leiterplatte benötigt, z. B. um die Montage bei engen Bauraumverhältnissen zu ermöglichen, gibt es den Ansatz, den aus mehreren Prepregs (s. u.) aufgebauten Schichtstapel einer Leiterplatte bis auf wenige Lagen durch Fräsen oder vorgestanzte Prepregs mit ausgesparten Bereichen zu verjüngen. Der verjüngte Bereich wird typischerweise mit einer dauerflexiblen Lackschicht versehen und lässt sich dann wenige Male biegen.

Wärmemanagement

Thermal Vias verbessern den Wärmetransport senkrecht zur Leiterplatte. Die Wärmeleitfähigkeit von kostengünstigen Basismaterialen wie FR4 mit 0,3 W/m·K ist für eine Entwärmung von Bauelementen zu gering. Thermal Vias sind Durchkontaktierungen, deren primäre Aufgabe in einer Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit besteht; sie nutzen den hohen Wärmeleitwert (300 W/m·K) von Kupfer, dem Material der Durchkontaktierung. Durch eine dichte Anordnung, beispielsweise in einem hexagonalen Raster von 0,5 mm und einem Durchmesser der Vias von 0,25 mm, können effektiv bis zu 10 % Kupfer in die Leiterplatte eingebracht werden. Daraus ergibt sich eine Wärmeleitfähigkeit von 30 W/m·K senkrecht zur Leiterplatte.

Metallkern (engl. metal core) und Dickkupfer erlauben höhere laterale Wärmeleitfähigkeiten. Hierzu werden Kupfer- oder Aluminiumbleche oder auf bis zu 400 µm verstärkte Kupferlagen in die Leiterplatte eingearbeitet.

In Verbindung mit einem Wärmepastendruck kann so eine Wärmereduktion erreicht und in bestimmten Fällen der Einsatz zusätzlicher Kühlkörper vermieden werden; eine Leiterplatte im Europakartenformat hat durch Konvektion einen Wärmewiderstand von 6 K/W und aufgrund von thermischer Abstrahlung etwa 5 K/W.

Zudem gibt es wassergekühlte Leiterplatten, bei denen vor dem Zusammenbau der einzelnen Lagen feine Nuten an Ober- und Unterseite der Innenlagen gefräst werden. Nach dem Zusammenbau verbleibt hier ein Kanal, durch den Kühlwasser geleitet werden kann.

Neuerdings werden Leiterkarten auch an den Schmalseiten mit einer dünnen Kupferschicht versehen, die zu einer verbesserten Entwärmung dienen kann. Sie kann auch zu einer verringerten Abstrahlung elektromagnetischer Felder beitragen.

Die Verwendung von Kupferstärken jenseits von 200 µm bis 400 µm wird als Dickkupfer bezeichnet. Sie erlauben höhere Strombelastbarkeiten und lateralen Wärmetransport. Bedingt durch den Ätzprozess lassen sich nur grobe Leiterstrukturen realisieren.

Alternativ kann eine Platine mit geringer Kupferdicke fotolithografisch strukturiert und galvanisch mit Kupfer verstärkt werden. Nachfolgendes Ätzen vermag dann ohne Abdecklack die Leiterzüge freizulegen, sodass nicht die gesamte Kupferdicke, sondern nur die dünne Grundschicht geätzt werden muss.

Eine Weiterentwicklung der Dickkupfertechnik ist die Eisbergtechnik (engl.: iceberg technique). Dabei werden die noch geschlossenen Kupferlagen in Folienform durch einen photolithographischen Ätzprozess vorstrukturiert: Bereiche, die kein Dickkupfer benötigen, werden hierbei auf 20 µm oder 100 µm zurückgeätzt. Die Folien werden dann in das Prepreg eingepresst und konventionell weiterverarbeitet. Die verbleibende geringe Erhebung erlaubt eine feinere Struktierung und ggf. zuverlässigere Überdeckung mit Lötstopplack.

Dickkupfer