Die meisten Ingenieure arbeiten täglich mit FR4, doch nur wenige machen sich Gedanken darüber, wie das Material selbst hergestellt wird, bevor es zu einer Leiterplatte wird.
Der Herstellungsprozess bestimmt viele der endgültigen Eigenschaften des Laminats, darunter die mechanische Festigkeit, die Dimensionsstabilität, die Feuchtigkeitsbeständigkeit und die elektrischen Eigenschaften.
Obwohl verschiedene Laminatlieferanten eigene Harzsysteme und Produktionsverfahren verwenden, ist der grundlegende Herstellungsprozess branchenweit ähnlich.
FR4 beginnt mit zwei Rohstoffen
FR4 wird durch die Verbindung von gewebtem Glasfasergewebe mit Epoxidharz hergestellt.
Jedes Material erfüllt eine andere Funktion.
Das Glasfasergewebe sorgt für Festigkeit und Formstabilität.
Das Epoxidharz verbindet die Glasfasern miteinander und sorgt gleichzeitig für elektrische Isolierung sowie flammhemmende Eigenschaften.
Kein der beiden Werkstoffe allein kann die Anforderungen der modernen Leiterplattenfertigung erfüllen.
Herstellung des Glasfasergewebes
Der Prozess beginnt damit, dass Glas zu extrem feinen Endlosfasern geschmolzen wird.
Diese Fasern werden je nach den erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu verschiedenen Stoffarten verwoben.
Das Webmuster beeinflusst:
- Gleichmäßigkeit der Dicke
- Harzverteilung
- Formbeständigkeit
- elektrische Gleichmäßigkeit
Für die verschiedenen Verbundkonstruktionen werden unterschiedliche Glasarten ausgewählt.
Harzimprägnierung
Das gewebte Glasfasergewebe wird durch flüssiges Epoxidharz geführt.
Das Harz füllt die Zwischenräume zwischen den Glasfasern aus und bedeckt das Gewebe gleichmäßig.
Nach der Imprägnierung wird das Material teilweise ausgehärtet, um das sogenannte Prepreg.
Das Prepreg bleibt flexibel genug für die spätere Laminierung und enthält gleichzeitig die richtige Menge an Harz für das fertige Laminat.
Herstellung des Laminats
Je nach gewünschter Laminatdicke werden mehrere Prepreg-Bahnen übereinandergeschichtet.
Kupferfolie wird auf einer oder beiden Seiten des Stapels aufgebracht.
Die gesamte Baugruppe wird anschließend in eine Laminierpresse überführt.
Heiß- und Drucklaminierung
In der Presse werden Glasfaser, Epoxidharz und Kupferfolie unter kontrollierter Hitze und Druck dauerhaft zu einer einzigen starren Platte verbunden.
In dieser Phase fließt das Harz gleichmäßig durch die Glasfaserschichten, bevor es vollständig aushärtet.
Eine ordnungsgemäße Regelung von Temperatur, Druck und Aushärtungszeit ist für eine gleichbleibende Laminatqualität unerlässlich.
Oberflächenbehandlung
Nach dem Laminieren werden die Platten zugeschnitten und für die Leiterplattenfertigung vorbereitet.
Die Kupferoberfläche wird gereinigt, um die Haftung bei den nachfolgenden Bildgebungs- und Ätzprozessen zu verbessern.
Die Hersteller prüfen das Laminat außerdem auf:
- Gleichmäßigkeit der Dicke
- Oberflächenfehler
- Harzporen
- Maßgenauigkeit
Nur Platinen, die den Spezifikationen entsprechen, werden zur Leiterplattenfertigung weitergeleitet.
Qualitätskontrolle während der Fertigung
Laminathersteller führen vor dem Versand von FR4-Materialien eine Reihe von Prüfungen durch.
Zu den typischen Inspektionen gehören:
- Dickenmessung
- Glasübergangstemperatur (Tg)
- Dielektrizitätskonstante
- Feuchtigkeitsaufnahme
- Schälfestigkeit
- Prüfung der Flammhemmung
Diese Prüfungen tragen dazu bei, sicherzustellen, dass das Laminat den veröffentlichten Materialspezifikationen entspricht.
Weiterführende Lektüre:
- Eigenschaften des FR4-Materials, die die Leistung von Leiterplatten beeinflussen
- Feuchtigkeitsaufnahme von FR4 und deren Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit von Leiterplatten
Warum die Fertigungsqualität entscheidend ist
Zwei Laminate können beide als FR4 klassifiziert sein, obwohl sie sich in der Produktion unterschiedlich verhalten.
Abweichungen bei der Harzzusammensetzung, der Glasfaserqualität, den Aushärtungsbedingungen und der Prozesssteuerung können sich auswirken auf:
- Bohrqualität
- Formbeständigkeit
- thermische Zuverlässigkeit
- elektrische Konsistenz
Bei Anwendungen mit höheren Anforderungen an die Zuverlässigkeit gewinnt die Materialqualität zunehmend an Bedeutung.
So beurteilen Sie die Qualität von FR4-Laminat
- Schritt 1
Lesen Sie das technische Datenblatt des Laminatherstellers durch.
- Schritt 2
Bestätigen Sie die geforderte Tg, die Dielektrizitätskonstante und die Dickentoleranz.
- Schritt 3
Überprüfen Sie die Einhaltung der geltenden Normen und Zertifizierungen.
- Schritt 4
Arbeiten Sie mit einem Leiterplattenhersteller zusammen, der Laminate von qualifizierten Lieferanten bezieht.
Schlussfolgerung
Die Leistungsfähigkeit von FR4 beginnt schon lange vor dem Start der Leiterplattenfertigung.
Die sorgfältig kontrollierte Glasfaserherstellung, die Harzimprägnierung, die Laminierung und die Qualitätsprüfung tragen alle zur Zuverlässigkeit des fertigen Materials bei.
Wenn man weiß, wie FR4 hergestellt wird, lässt sich die Materialqualität leichter beurteilen und das richtige Laminat für verschiedene elektronische Anwendungen auswählen.
Häufig gestellte Fragen
A: FR4 wird aus gewebtem Glasfasergewebe und flammhemmendem Epoxidharz hergestellt, die mit Kupferfolie laminiert werden.
A: Prepreg ist ein mit teilweise ausgehärtetem Epoxidharz imprägniertes Glasfasergewebe. Es wird beim Laminierprozess zur Herstellung des Laminats verwendet.
A: Durch die Laminierung werden Glasfaser, Harz und Kupferfolie dauerhaft zu einem starren Leiterplattensubstrat verbunden, wobei eine gleichmäßige Dicke und einheitliche Materialeigenschaften gewährleistet werden.
A: Der grundlegende Prozess ist ähnlich, doch die Harzformulierungen, Glasfaserarten, Aushärtungsbedingungen und Qualitätskontrollverfahren unterscheiden sich je nach Hersteller.
A: Ja. Die Qualität der Laminatschicht kann die mechanische Festigkeit, die elektrischen Eigenschaften, die Feuchtigkeitsbeständigkeit und die langfristige Zuverlässigkeit beeinflussen.
