FR4 wird oft als stabiles und zuverlässiges Leiterplattenmaterial beschrieben.
Es weist in den meisten Betriebsumgebungen gute Eigenschaften auf und hat sich zum Standard-Substrat für starre Leiterplatten entwickelt. Wie viele Materialien auf Epoxidharzbasis ist jedoch auch FR4 nicht vollständig unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit.
Im Laufe der Zeit kann das Laminat Wasser aus der Umgebung aufnehmen. Die Menge ist in der Regel gering, doch unter bestimmten Bedingungen kann dies die Fertigungsqualität, die elektrischen Eigenschaften und die langfristige Zuverlässigkeit beeinträchtigen.
Aus diesem Grund ist die Feuchtigkeitsbeständigkeit eine der Materialeigenschaften, die Ingenieure bei der Auswahl eines Leiterplattensubstrats berücksichtigen.
Was Feuchtigkeitsaufnahme bedeutet
Unter Feuchtigkeitsaufnahme versteht man die Fähigkeit eines Materials, Wasser aus der Umgebungsluft aufzunehmen.
Bei FR4 dringen Wassermoleküle im Laufe der Zeit langsam in das Epoxidharz ein, insbesondere wenn das Material in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit gelagert wird.
Die Glasfaserverstärkung selbst nimmt nur sehr wenig Feuchtigkeit auf. Der größte Teil des aufgenommenen Wassers wird im Harzsystem gebunden.
Obwohl die Absorptionsrate im Vergleich zu vielen Kunststoffen relativ gering ist, liegt sie nicht bei Null.
Warum Feuchtigkeit bei Leiterplattenmaterialien eine Rolle spielt
Eine geringe Menge Feuchtigkeit hat möglicherweise keine spürbaren Auswirkungen auf ein fertiges Produkt.
Eine übermäßige Feuchtigkeitsbelastung vor der Herstellung oder während des langfristigen Betriebs kann jedoch zu verschiedenen potenziellen Problemen führen.
Dazu gehören:
- verringerter Isolationswiderstand
- Maßänderungen
- Lötfehler
- verminderte Langzeitzuverlässigkeit
Das Ausmaß der Auswirkungen hängt von den Lagerbedingungen, der Betriebsumgebung und dem Leiterplattenlayout selbst ab.
Elektrische Leistung
Feuchtigkeit verändert die elektrischen Eigenschaften von Epoxidharz geringfügig.
Mögliche Auswirkungen sind unter anderem:
- niedrigerer Isolationswiderstand
- erhöhter Leckstrom
- geringfügige Änderungen der dielektrischen Eigenschaften
Bei den meisten elektronischen Produkten im Niederfrequenzbereich sind diese Änderungen vernachlässigbar.
Bei Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenzanwendungen gewinnen stabile elektrische Eigenschaften zunehmend an Bedeutung, wodurch die richtige Materialauswahl und -lagerung noch entscheidender wird.
Weiterführende Lektüre:
Lötleistung
Bei der Leiterplattenbestückung spielt Feuchtigkeit eine besonders wichtige Rolle.
Wenn eine feuchtigkeitshaltige Leiterplatte den Temperaturen beim Reflow-Löten ausgesetzt wird, verwandelt sich das aufgenommene Wasser rasch in Dampf.
Ein zu hoher Innendruck kann zu folgenden Mängeln führen:
- brennend
- Delaminierung
- Harzrisse
Diese Probleme treten häufiger auf, wenn die Leiterplatten vor der Montage über einen längeren Zeitraum unsachgemäß gelagert wurden.
Formstabilität
FR4 wird geschätzt, weil es während der Fertigung seine Maße stabil beibehält.
Die Aufnahme von Feuchtigkeit kann zu einer leichten Ausdehnung des Epoxidharzes führen.
Obwohl die Maßänderung in der Regel gering ist, kann sie in folgenden Fällen an Bedeutung gewinnen:
- mehrschichtige Leiterplatten
- Designs mit engem Rasterabstand
- Produkte, die enge mechanische Toleranzen erfordern
Eine angemessene Klimaregulierung trägt dazu bei, diese Auswirkungen zu minimieren.
Weiterführende Lektüre:
Leitfaden zum Entwurf mehrschichtiger Leiterplatten
Langfristige Zuverlässigkeit
Von elektronischen Produkten wird oft erwartet, dass sie viele Jahre lang funktionieren.
In feuchten Umgebungen kann eine dauerhafte Einwirkung von Feuchtigkeit die Alterung des Materials beschleunigen.
In Verbindung mit wiederholten Temperaturschwankungen kann Feuchtigkeit zu Folgendem beitragen:
- verminderte Dämmleistung
- mechanische Beanspruchung
- geringere langfristige Zuverlässigkeit
Bei Anwendungen wie industriellen Steuerungssystemen, Geräten für den Außenbereich und Automobilelektronik müssen die Umgebungsbedingungen in der Regel besonders berücksichtigt werden.
Typische Feuchtigkeitsaufnahme von FR4
Die meisten handelsüblichen FR4-Laminate weisen eine Feuchtigkeitsaufnahme von etwa 0,10% bis 0,20% unter standardisierten Laborbedingungen.
Der genaue Wert hängt von folgenden Faktoren ab:
- Harzformulierung
- Glasgewebe-Stil
- Laminathersteller
- Prüfverfahren
Materialien, die für Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen oder hohen Frequenzen entwickelt wurden, weisen häufig geringere Feuchtigkeitsaufnahmewerte auf.
Faktoren, die die Feuchtigkeitsaufnahme beeinflussen
Es gibt verschiedene Faktoren, die beeinflussen, wie viel Feuchtigkeit FR4 aufnimmt.
Lagerbedingungen
Hohe Luftfeuchtigkeit und lange Lagerzeiten erhöhen die Feuchtigkeitsaufnahme.
Eine trockene, temperaturgeregelte Lagerung trägt dazu bei, die Materialqualität zu erhalten.
Materialqualität
Verschiedene Laminathersteller verwenden unterschiedliche Harzsysteme.
Hochwertige Laminate weisen oft eine bessere Feuchtigkeitsbeständigkeit auf als handelsübliche Standardqualitäten.
Konstruktion der Platte
Dickere Platten und mehrschichtige Konstruktionen können aufgrund ihrer inneren Struktur Feuchtigkeit in unterschiedlichem Maße aufnehmen und wieder abgeben.
Betriebsbedingungen
Outdoor-Ausrüstung oder -Produkte, die in feuchten Klimazonen zum Einsatz kommen, sind wesentlich länger Feuchtigkeit ausgesetzt als Elektronikgeräte, die in kontrollierten Innenräumen verwendet werden.
Feuchtigkeitsbedingte Probleme verringern
Auch wenn Feuchtigkeit nicht vollständig beseitigt werden kann, tragen gute Herstellungspraktiken dazu bei, ihre Auswirkungen zu verringern.
Materialien richtig lagern
Bewahren Sie unbestückte Leiterplatten nach Möglichkeit in einer sauberen, trockenen Umgebung mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit auf.
Lagerzeit begrenzen
Platten, die über einen längeren Zeitraum gelagert wurden, sollten vor dem Zusammenbau überprüft werden.
Wenn man ältere Bestände zuerst verbraucht, kann dies dazu beitragen, unnötige Feuchtigkeitseinwirkung zu verringern.
Leiterplatten bei Bedarf ausbacken
Wenn eine Platte während der Lagerung übermäßig viel Feuchtigkeit aufgenommen hat, kann ein kontrolliertes Ausheizen vor der Montage dazu beitragen, die darin verbliebene Feuchtigkeit zu entfernen.
Beim Einbrennen sollten stets die Empfehlungen des Leiterplattenherstellers befolgt werden, um eine Beschädigung des Laminats zu vermeiden.
Wählen Sie das geeignete Material aus
Bei Produkten, die in anspruchsvollen Umgebungen zum Einsatz kommen, können Werkstoffe mit verbesserter thermischer Stabilität und geringerer Feuchtigkeitsaufnahme eine höhere Langzeitzuverlässigkeit gewährleisten.
Weiterführende Lektüre: FR4-Leiterplatte vs. FR4 mit hohem Tg
So wird die Feuchtigkeitsbeständigkeit bewertet
- Schritt 1
Prüfen Sie die voraussichtlichen Betriebsbedingungen, einschließlich Luftfeuchtigkeit und Temperatur.
- Schritt 2
Beachten Sie die Angaben des Laminatherstellers zur Feuchtigkeitsaufnahme.
- Schritt 3
Berücksichtigen Sie vor der Montage die Lager- und Transportbedingungen.
- Schritt 4
Wählen Sie ein Material aus, das sowohl den Fertigungsanforderungen als auch den langfristigen Betriebsbedingungen entspricht.
Häufige Missverständnisse
Ein weit verbreiteter Irrtum ist, dass FR4 vollkommen wasserdicht ist.
Tatsächlich nimmt FR4 aufgrund seines Epoxidharzsystems eine geringe Menge an Feuchtigkeit auf.
Ein weiteres Missverständnis ist, dass Feuchtigkeit nur die Leiterplattenbestückung beeinträchtigt.
Zwar ist die Montage eine der heikelsten Phasen, doch kann auch eine langfristige Einwirkung feuchter Umgebungsbedingungen die elektrische Isolierung und die allgemeine Zuverlässigkeit beeinträchtigen.
Das Verständnis dieser Einschränkungen hilft Ingenieuren dabei, fundiertere Materialentscheidungen zu treffen.
Schlussfolgerung
FR4 bietet eine gute Feuchtigkeitsbeständigkeit für die meisten gewerblichen und industriellen Anwendungen, ist jedoch nicht völlig unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit.
Die richtige Lagerung, die sachgemäße Handhabung und die Auswahl des für die Betriebsumgebung geeigneten Laminats tragen dazu bei, die Qualität der Leiterplatten und ihre langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Die Berücksichtigung der Feuchtigkeitsaufnahme bei der Materialauswahl trägt dazu bei, Fertigungsrisiken zu verringern und sorgt für zuverlässigere Elektronikprodukte.
So lassen sich feuchtigkeitsbedingte Probleme mit Leiterplatten minimieren
Schritt 1
Lagern Sie unbestückte Leiterplatten in einer trockenen, klimatisierten Umgebung.
Schritt 2
Unnötige Lagerzeiten vor der Montage reduzieren.
Schritt 3
Überprüfen Sie die gelagerten Platten und backen Sie sie, wenn dies vom Hersteller empfohlen wird.
Schritt 4
Wählen Sie Leiterplattenmaterialien, die den Umgebungsbedingungen des Endprodukts entsprechen.
Häufig gestellte Fragen
A: Ja. FR4 nimmt über sein Epoxidharz eine geringe Menge Feuchtigkeit auf, auch wenn die Aufnahmerate relativ gering ist.
A: Feuchtigkeit kann die elektrische Isolierung, die Lötbarkeit, die Maßhaltigkeit und die langfristige Zuverlässigkeit beeinträchtigen.
A: Ja. Übermäßige Feuchtigkeit kann beim Löten bei hohen Temperaturen zu Blasenbildung, Ablösung oder anderen Mängeln führen.
A: Für die meisten kommerziellen Anwendungen eignet sich FR4 gut. Produkte, die in dauerhaft feuchten oder rauen Umgebungen eingesetzt werden, erfordern unter Umständen Materialien mit erhöhter Feuchtigkeitsbeständigkeit.
A: Die richtige Lagerung, eine sachgemäße Handhabung, die Befolgung der empfohlenen Backverfahren, sofern erforderlich, sowie die Auswahl des geeigneten Laminats tragen dazu bei, feuchtigkeitsbedingte Probleme zu minimieren.
