Materialien, die in Leiterplatten (PCBs) verwendet werden: Ein umfassender Leitfaden für Hersteller.

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Leiterplatten (PCBs) sind das unsichtbare Rückgrat jedes elektronischen Geräts – von Smartphones bis hin zu Raumfahrzeugen – aber ihre Leistung hängt vollständig von den Materialien ab, die zu ihrer Herstellung verwendet werden. Ein 5G-Modem eines Smartphones ist auf verlustarme Substratmaterialien angewiesen, um Signalausfälle zu vermeiden, während das Batteriemanagementsystem (BMS) eines Elektrofahrzeugs (EV) hitzebeständige Kupferfolie benötigt, um hohe Ströme zu bewältigen. Die Wahl des falschen Materials kann zu vorzeitigem Ausfall, kostspieligen Nacharbeiten oder sogar Sicherheitsrisiken führen (z. B. Überhitzung in medizinischen Geräten).

Dieser Leitfaden unterteilt die kritischen Materialien, aus denen eine Leiterplatte besteht, ihre einzigartigen Eigenschaften und wie man die richtigen für Ihre Anwendung auswählt. Wir werden alles behandeln, von grundlegenden Substraten und leitfähigen Kupferfolien bis hin zu schützenden Lötstoppmasken und die Zuverlässigkeit steigernden Oberflächenveredelungen, mit datengestützten Vergleichen und realen Anwendungsfällen, die auf amerikanische Fertigungsstandards zugeschnitten sind. Unabhängig davon, ob Sie ein Konsumgütergerät oder eine missionskritische Luft- und Raumfahrtkomponente entwerfen, ist das Verständnis dieser Materialien der Schlüssel zum Bau von Leiterplatten, die Leistung erbringen, lange halten und die Kostenziele erreichen.

Wichtige Erkenntnisse
  a. Substratmaterialien (z. B. FR4, Rogers, Polyimid) bestimmen die thermische, elektrische und mechanische Leistung einer Leiterplatte – FR4 ist ideal für 80 % der Konsumentenanwendungen, während Rogers in 5G/mmWave-Designs hervorragend abschneidet.
  b. Die Dicke (1oz–5oz) und der Typ (elektrolytisch vs. gewalzt) der Kupferfolie beeinflussen die Strombelastbarkeit: 2oz Kupfer verarbeitet Ströme von 30A+ (entscheidend für EVs), während gewalztes Kupfer Flexibilität für Wearables bietet.
  c. Lötstoppmasken (hauptsächlich grünes LPI) schützen Leiterbahnen vor Korrosion und Lötbrücken, wobei Hochtemperaturvarianten (Tg ≥150°C) für Automobil- und Industrie-Leiterplatten erforderlich sind.
  d. Oberflächenveredelungen (ENIG, HASL, ENEPIG) bestimmen die Lötbarkeit und Lebensdauer: ENEPIG ist der Goldstandard für Medizin/Luft- und Raumfahrt, während HASL für Geräte mit geringer Zuverlässigkeit kostengünstig bleibt.
  e. Materialauswahlfehler verursachen 35 % der Leiterplattenausfälle (IPC-Daten) – die Abstimmung der Materialien auf die Anwendungsanforderungen (z. B. Temperatur, Frequenz, Strom) senkt die Ausfallraten im Feld um 50 %.

1. Leiterplatten-Substratmaterialien: Die Grundlage der Leistung
Das Substrat ist die nichtleitende Basis, die Kupferbahnen, Komponenten und andere Leiterplattenschichten hält. Es ist die wirkungsvollste Materialauswahl, da es Folgendes definiert:
  a. Wärmeleitfähigkeit: Wie gut die Leiterplatte Wärme ableitet (entscheidend für Hochleistungskomponenten wie IGBTs).
  b. Dielektrizitätskonstante (Dk): Wie gut sie elektrische Signale isoliert (niedriger Dk = bessere Hochfrequenzleistung).
  c. Mechanische Festigkeit: Widerstandsfähigkeit gegen Verziehen, Biegen oder Risse (entscheidend für raue Umgebungen).

Im Folgenden sind die gängigsten Substratmaterialien aufgeführt, mit einem detaillierten Vergleich zur Auswahl:

Warum die Wahl des Substrats wichtig ist
  a. Konsumgüterelektronik: FR4 ist hier der Arbeitstier – seine geringen Kosten und die ausreichende thermische Leistung (0,3 W/m·K) bewältigen den Leistungsbedarf von 1–5 W von Smartphones und Tablets. Eine 6-Lagen-FR4-Leiterplatte in einem iPhone 15 kostet ~(2,50, vs. )12,50 für ein Rogers-Äquivalent.
  b. 5G/Telekommunikation: Der niedrige Dk (3,48) von Rogers RO4350 minimiert den Signalverlust bei 28 GHz und macht es für 5G-Basisstationen unerlässlich. Ohne es würden 5G-Signale über 10 cm Leiterbahn um 40 % abnehmen.
  c. Luft- und Raumfahrt: Polyimid-Substrate halten Temperaturschwankungen von -55°C bis 200°C stand und sind strahlungsbeständig, was sie ideal für Satelliten-Leiterplatten macht. Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA verwendet Polyimid-basierte Leiterplatten für seine kryogenen Instrumente.
  d. EVs: Aluminiumkern- (MCPCB) Substrate in EV-Wechselrichtern leiten Wärme 3x schneller ab als FR4, wodurch die Sperrschichttemperaturen der IGBTs unter 125°C gehalten werden (der Schwellenwert für thermisches Drosseln).

2. Kupferfolie: Das leitfähige Rückgrat
Kupferfolie ist das leitfähige Material, das Leiterbahnen, Ebenen und Pads bildet – und elektrische Signale und Strom über die Leiterplatte transportiert. Ihre Dicke, Art und Reinheit wirken sich direkt auf die Strombelastbarkeit, Flexibilität und die Kosten aus.

Wichtige Spezifikationen für Kupferfolie
  a. Dicke: Gemessen in „Unzen (oz)“ (1oz = 35μm Dicke). Gängige Optionen:
1oz: Ideal für schwachstromführende Signale (≤10A) in der Konsumgüterelektronik.
2oz: Verarbeitet Ströme von 10–30A (EV BMS, industrielle Motorantriebe).
3–5oz: Für Hochleistungsanwendungen (50A+), wie z. B. EV-Wechselrichter oder Schweißgeräte.
  b. Typ: Zwei Hauptvarianten, die jeweils für bestimmte Anforderungen geeignet sind:

Kritische Überlegungen für Kupferfolie
  a. Strombelastbarkeit: Eine 1 mm breite, 2 oz Kupferleiterbahn führt ~30A bei 25°C (IPC-2221-Standard). Für höhere Ströme verwenden Sie breitere Leiterbahnen (z. B. 2 mm breit, 2 oz = 50A) oder dickere Folie (3 oz = 45A für 1 mm Breite).
  b. Oberflächenrauheit: Gewalztes Kupfer hat eine glattere Oberfläche (Ra <0,5μm) als elektrolytisches Kupfer (Ra 1–2μm), wodurch der Signalverlust bei hohen Frequenzen (28 GHz+) reduziert wird. Dies macht es ideal für 5G-mmWave-Leiterplatten.
  c. Flexibilität: Gewalztes Kupfer hält 10.000+ Biegezyklen stand (vs. 1.000 für elektrolytisches Kupfer), was für faltbare Telefone oder tragbare Sensoren entscheidend ist.

Beispiel: Das BMS des Tesla Model Y verwendet 2 oz elektrolytische Kupferfolie für Leistungsebenen – Ausgleich von Kosten und Strombelastbarkeit (30A pro Leiterbahn), während die Leiterplatte dünn genug gehalten wird, um in das Batteriepack zu passen.

3. Lötstoppmaske: Schutz von Leiterbahnen und Vermeidung von Kurzschlüssen
 a. Lötstoppmaske ist ein Flüssig- oder Trockenfilm, der auf Kupferleiterbahnen (außer Pads) aufgetragen wird, um:
 b. Kupfer vor Oxidation und Korrosion zu schützen.
 c. Zufällige Lötbrücken zwischen benachbarten Leiterbahnen zu verhindern (häufig bei Leiterplatten mit hoher Dichte).
 d. Leiterbahnen vor Feuchtigkeit, Staub und Chemikalien zu isolieren.

Gängige Lötstoppmaskentypen
Flüssige fotoabbildbare (LPI) Lötstoppmaske wird in 95 % der modernen Leiterplatten verwendet – sie wird als Flüssigkeit aufgetragen, mit UV-Licht (über eine Fotomaske) belichtet und entwickelt, um Pads unbedeckt zu lassen. Andere Typen (Trockenfilm, siebgedruckt) sind heute aufgrund geringerer Präzision selten.

Warum die Farbe der Lötstoppmaske wichtig ist
 a. Grün: Der Industriestandard – erschwinglich, leicht zu inspizieren (im Gegensatz zu Kupfer) und mit den meisten Prozessen kompatibel.
 b. Schwarz: Beliebt in High-End-Geräten (z. B. Premium-Smartphones) aus ästhetischen Gründen, aber schwieriger zu inspizieren (erfordert UV-Licht, um nach Fehlern zu suchen).
 c. Weiß: Wird in LED-Leiterplatten verwendet – reflektiert Licht, um die LED-Helligkeit um 15 % zu erhöhen.

Wichtiger Hinweis: Hochtemperatur-LPI (Tg ≥150°C) ist für Automobil-Leiterplatten, die in Motorraumumgebungen (125°C+) betrieben werden, obligatorisch. Standard-LPI (Tg 130°C) würde erweichen oder sich ablösen, was zu Kurzschlüssen führt.

4. Siebdruckfarbe: Beschriftung und Identifizierung
Siebdruckfarbe ist die letzte Schicht, die auf Leiterplatten aufgetragen wird – Drucken von Text, Logos, Komponentenreferenzen (z. B. „R1“, „U2“) und Polaritätsmarkierungen. Sie ist entscheidend für die Montage (Führung der Komponentenplatzierung) und Wartung (Identifizierung von Teilen zur Reparatur).

Siebdruckfarbentypen
Die meisten Tinten sind auf Epoxidbasis (beständig gegen Hitze und Chemikalien) oder UV-härtbar (schnell trocknend für die Massenproduktion). Wichtige Überlegungen:

Best Practices für den Siebdruck
 a. Schriftgröße: Verwenden Sie mindestens 0,8 mm hohen Text – kleinerer Text ist schwer zu lesen und kann sich während der Montage verschmieren.
 b. Abstand: Halten Sie die Tinte 0,1 mm von den Pads entfernt – Tinte auf Pads verhindert das Löten (eine Hauptursache für Montagefehler).
 c. Haltbarkeit: Epoxidtinten werden für industrielle Leiterplatten bevorzugt, die möglicherweise häufig gereinigt oder gehandhabt werden.

Beispiel: Eine Fabrik, die industrielle Motorantriebe repariert, verwendet Epoxid-Siebdruck, um einen defekten Widerstand („R45“) zu identifizieren – ohne klare Beschriftung würde sich die Reparaturzeit verdoppeln, was 500 $/Stunde Ausfallzeit kosten würde.

5. Leiterplatten-Oberflächenveredelungen: Gewährleistung der Lötbarkeit und Langlebigkeit
Oberflächenveredelungen beschichten freiliegende Kupferpads, um:
  a. Oxidation zu verhindern (was die Lötbarkeit zerstört).
  b. Die Zuverlässigkeit der Lötstellen zu verbessern.
  c. Die Haltbarkeit der Leiterplatte zu verlängern (von 6 Monaten auf 2+ Jahre).
Dies ist eine der wichtigsten Materialauswahlen – schlechte Oberflächen verursachen 25 % der Lötfehler (IPC-Daten). Im Folgenden finden Sie einen Vergleich der gängigsten Optionen:

Warum die Wahl der Oberflächenveredelung nicht verhandelbar ist
 a. Medizinische Geräte: ENEPIG ist obligatorisch – es vermeidet „Black Pad“ (eine spröde Nickel-Gold-Verbindung, die zu Verbindungsfehlern führt) und hält Autoklavensterilisation (134°C, 2 bar Druck) stand.
 b. Luft- und Raumfahrt: Die 18-monatige Haltbarkeit von ENIG stellt sicher, dass Leiterplatten während der langen Lagerung lötbar bleiben (z. B. Satellitenkomponenten, die 2 Jahre vor dem Start gelagert werden).
 c. Konsumgüterelektronik: HASL ist kostengünstig für Fernseher oder Spielzeug, bei denen Leiterplatten schnell montiert und alle 2–3 Jahre ausgetauscht werden.
 d. EVs: ENEPIG wird in ADAS-Radar-Leiterplatten verwendet – seine Korrosionsbeständigkeit (1.500 Stunden Salzsprühtest) verhindert Ausfälle durch Streusalz und Feuchtigkeit.

6. Materialauswahlrahmen: So wählen Sie die richtige Kombination
Bei so vielen Optionen kann sich die Auswahl von Leiterplattenmaterialien überwältigend anfühlen. Verwenden Sie diesen 4-Schritte-Rahmen, um die Materialien an Ihre Anwendung anzupassen:

Schritt 1: Leistungsanforderungen definieren
  a. Elektrisch: Was ist die maximale Frequenz (z. B. 28 GHz für 5G) oder der maximale Strom (z. B. 30A für EV BMS)? Substrate mit niedrigem Dk (Rogers) und dickes Kupfer (2oz+) werden für hohe Leistung benötigt.
  b. Thermisch: Was ist die maximale Betriebstemperatur (z. B. 150°C für die Automobilindustrie)? Wählen Sie Substrate mit hohem Tg (FR4 Tg 170°C) und MCPCBs für die Wärmeableitung.
  c. Mechanisch: Wird sich die Leiterplatte biegen (Wearables) oder Vibrationen standhalten (Luft- und Raumfahrt)? Flexible Polyimid-Substrate und gewalztes Kupfer sind hier entscheidend.

Schritt 2: Kosten vs. Wert berücksichtigen
  a. Konsumgüterelektronik: Priorisieren Sie kostengünstige Materialien (FR4, 1oz elektrolytisches Kupfer, HASL), um die Preisvorgaben zu erfüllen (z. B. kann sich ein Smartphone für 200 $ keine Rogers-Substrate leisten).
  b. Hohe Zuverlässigkeit (Medizin/Luft- und Raumfahrt): Investieren Sie in Premiummaterialien (ENEPIG, Polyimid, Rogers) – die (10 extra pro Leiterplatte vermeidet )100k+ Gewährleistungsansprüche oder behördliche Bußgelder.

Schritt 3: Fertigungskompatibilität prüfen
 a. Stellen Sie sicher, dass die Materialien mit Ihrem Montageprozess funktionieren:
   Flexible Leiterplatten erfordern gewalztes Kupfer und eine Polyimid-Lötstoppmaske – elektrolytisches Kupfer reißt beim Biegen.
   Großserienläufe (100.000+ Leiterplatten) profitieren von UV-härtbarem Siebdruck (schnelles Aushärten) im Vergleich zu Epoxidharz (langsamer).

Schritt 4: Konformität validieren
 a. Automobil: Materialien müssen IATF 16949 erfüllen (z. B. Lötstoppmaske mit hohem Tg, ENEPIG).
 b. Medizin: ISO 13485 erfordert biokompatible Materialien (z. B. ENEPIG, Polyimid).
 c. Globale Märkte: RoHS-Konformität verbietet Blei – wählen Sie bleifreies HASL (Sn-Cu) oder ENIG.

7. Reale Materialkombinationen nach Branche
Um die Materialauswahl konkret zu machen, finden Sie hier bewährte Kombinationen für gängige Anwendungen:

Konsumgüterelektronik (Smartphone-Haupt-Leiterplatte)
1. Substrat: High-Tg FR4 (Tg 170°C)
2. Kupferfolie: 1oz elektrolytisch (Signalebenen), 2oz elektrolytisch (Leistungsebenen)
3. Lötstoppmaske: Standard-LPI grün (Tg 130°C)
4. Siebdruck: UV-härtbares Epoxidharz (0,8 mm Text)
5. Oberflächenveredelung: ENIG (gleicht Lötbarkeit und Kosten aus)
6. Warum es funktioniert: FR4 hält die Kosten niedrig, 2oz Kupfer verarbeitet Ladeströme (15A) und ENIG sorgt für zuverlässiges BGA-Löten (0,4 mm Raster).

Automobil (EV-Wechselrichter-Leiterplatte)
1. Substrat: Aluminiumkern (MCPCB)
2. Kupferfolie: 3oz elektrolytisch (verarbeitet 50A Ströme)
3. Lötstoppmaske: High-Tg LPI (Tg 180°C)
4. Siebdruck: Auf Epoxidbasis (beständig gegen Öl/Chemikalien)
5. Oberflächenveredelung: ENEPIG (Korrosionsbeständigkeit, kein Black Pad)
6. Warum es funktioniert: MCPCB leitet die Wärme der IGBTs ab, 3oz Kupfer führt hohe Ströme und ENEPIG hält den Bedingungen unter der Motorhaube stand.

Medizin (Herzschrittmacher-Controller-Leiterplatte)
1. Substrat: Polyimid (flexibel, biokompatibel)
2. Kupferfolie: 1oz gewalzt (flexibel, geringe Oberflächenrauheit)
3. Lötstoppmaske: Flexible LPI (auf Polyimidbasis, biokompatibel)
4. Siebdruck: Epoxidharz (beständig gegen Körperflüssigkeiten)
5. Oberflächenveredelung: ENEPIG (sterilisationsbeständig, lange Haltbarkeit)
6. Warum es funktioniert: Polyimid biegt sich mit der Körperbewegung, gewalztes Kupfer vermeidet Risse und ENEPIG erfüllt die ISO 13485-Standards.

Luft- und Raumfahrt (Satellitenkommunikations-Leiterplatte)
1. Substrat: PTFE (niedriger Dk für 60 GHz Signale)
2. Kupferfolie: 2oz gewalzt (strahlungsbeständig)
3. Lötstoppmaske: High-Tg LPI (Tg 180°C, strahlungsbeständig)
4. Siebdruck: Epoxidharz (beständig gegen Vakuum und Temperaturschwankungen)
5. Oberflächenveredelung: ENIG (18 Monate Haltbarkeit)
6. Warum es funktioniert: PTFE minimiert den Signalverlust im Weltraum, gewalztes Kupfer widersteht Strahlungsschäden und ENIG sorgt für Lötbarkeit nach langer Lagerung.

Häufige Fragen zu Leiterplattenmaterialien
F: Kann ich verschiedene Substratmaterialien in einer Leiterplatte mischen?
A: Ja – „Hybrid“-Leiterplatten kombinieren Materialien für bestimmte Anforderungen. Beispielsweise könnte eine 5G-Router-Leiterplatte Rogers für den mmWave-Bereich (niedriger Dk) und FR4 für den Rest (Kosteneinsparungen) verwenden. Stellen Sie einfach sicher, dass die Materialien ähnliche CTE (Wärmeausdehnungskoeffizient) haben, um ein Verziehen während des Reflows zu vermeiden.

F: Was ist der Unterschied zwischen 1oz und 2oz Kupfer für Signalbahnen?
A: 1oz Kupfer (35μm) reicht für die meisten Signale (≤10A, ≤1GHz) aus, während 2oz (70μm) für höhere Ströme (10–30A) oder einen geringeren Widerstand benötigt werden (entscheidend für lange Leiterbahnen in industriellen Leiterplatten). 2oz Kupfer leitet auch Wärme besser ab, wodurch die Leiterbahntemperaturen bei 20A um 15°C reduziert werden.

F: Warum ist Grün die Standardfarbe der Lötstoppmaske?
A: Grüne Tinte verwendet ein Pigment (Phthalocyaningrün), das erschwinglich, UV-stabil ist und einen hohen Kontrast zu Kupfer bietet – wodurch es für Inspektoren einfach ist, Fehler zu erkennen (z. B. fehlende Lötstoppmaske, Kratzer). Andere Farben (Schwarz, Weiß) sind ästhetisch oder funktional, kosten aber mehr.

F: Lohnt sich ENEPIG die zusätzlichen Kosten gegenüber ENIG?
A: Für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit (Medizin, Luft- und Raumfahrt) ja – ENEPIG fügt eine Palladiumschicht hinzu, die „Black Pad“ (einen Hauptfehlerpunkt in ENIG) eliminiert und die Drahtbindungsfestigkeit um 30 % verbessert. Für die Konsumgüterelektronik reicht ENIG normalerweise aus.

F: Können flexible Leiterplatten FR4-Substrat verwenden?
A: Nein – FR4 ist starr und reißt beim Biegen. Flexible Leiterplatten erfordern Polyimid- oder Polyester-Substrate, gepaart mit gewalzter Kupferfolie (duktil genug, um dem Biegen standzuhalten).

Fazit
Leiterplattenmaterialien sind nicht austauschbar – jede Wahl (Substrat, Kupfer, Lötstoppmaske, Oberflächenveredelung) wirkt sich direkt auf Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten aus. FR4 und 1oz Kupfer funktionieren für 80 % der Konsumentenanwendungen, aber 5G, EVs und medizinische Geräte erfordern Spezialmaterialien wie Rogers, 2oz+ Kupfer und ENEPIG.
Der Schlüssel zum Erfolg ist die Abstimmung der Materialien auf die individuellen Bedürfnisse Ihrer Anwendung:
  a. Priorisieren Sie Substrate mit niedrigem Dk für Hochfrequenzdesigns.
  b. Wählen Sie dickeres Kupfer für Hochstrompfade.
  c. Verwenden Sie Hochtemperaturmaterialien für Automobil-/Industrieumgebungen.
  d. Investieren Sie in Premium-Oberflächen (ENEPIG) für Leiterplatten mit langer Lebensdauer oder sicherheitskritische Leiterplatten.
Wenn Sie diesen Leitfaden befolgen, vermeiden Sie die 35 % der Leiterplattenausfälle, die durch Materialfehlpaarungen verursacht werden – und bauen Produkte, die die Leistungsziele erreichen, im Budget bleiben und die Zeit überdauern. Egal, ob Sie ein erfahrener Ingenieur oder ein Startup-Gründer sind, die Beherrschung von Leiterplattenmaterialien ist der erste Schritt zur Entwicklung von Elektronik, die die Konkurrenz übertrifft und überdauert.