Materialauswahl nach IPC-4101
Bibliothek des Wissens Band 11 - Neue Auflage v2 - Entwickler, Layouter, Leiterplattenhersteller und Baugruppenfertiger stehen bei jedem neuen Projekt vor dem gleichen Problem - Der richtigen Basismaterialauswahl für die Leiterplatte. Elektrische Anforderungen, Fertigbarkeit, Einsatzort aber auch Umweltanforderungen sind Faktoren, die es gilt gleichrangig zu beachten und in einer idealen Kompromisslösung zu vereinen.
Entwickler, Layouter, Leiterplattenhersteller und Baugruppenfertiger stehen bei jedem neuen Projekt vor dem gleichen Problem - Der richtigen Basismaterialauswahl für die Leiterplatte. Elektrische Anforderungen, Fertigbarkeit, Einsatzort aber auch Umweltanforderungen sind Faktoren, die es gilt gleichrangig zu beachten und in einer idealen Kompromisslösung zu vereinen.
Der FED-Arbeitskreis Leiterplatte hat sich dieser Thematik angenommen und mit dem Band 11 „Materialauswahl nach IPC-4101“ einen Leitfaden erstellt, der als Diskussionsgrundlage dient, nützliche Ratschläge gibt und in einer Entscheidungsmatrix mündet.
So lernt der Anwender ausgewählte Materialparamter kennen, wie z.B. die Glasübergangstemperatur Tg, die Zersetzungstemperatur Td, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE, um nur einige zu nennen. Aber auch die Besonderheiten thermostabiler Materialien werden angesprochen und schließlich Designkriterien mit ihren Einflüssen auf die Materialauswahl bis hin zu Lotsystemen. Was sich in der Ausarbeitung, die ausschließlich von Praktikern erstellt wurde, gezeigt hat: Niemand ist in der Lage, eine allgemeingültige Materialvorgabe zu fixieren. Jedes Projekt bedarf immer einer Einzelbetrachtung unter Einbeziehung aller Verantwortlichen.
Hinweis: In dem Leitfaden wird ausschließlich auf FR4 Material eingegangen.
Das Dokument ist für Mitglieder kostenfrei herunterladbar (siehe PDF unten).
Vorwort
Aufgrund von gravierenden Änderungen der Revision C nach D und schließlich in der Revision E wurde eine grundlegende Überarbeitung der BdW Band 11 „Materialauswahl nach IPC-4101“ notwendig.
Grundlage für die 2. Auflage der BdW Band 11 ist die derzeit gültige IPC 4101E -WAM1.
Kapitel 1 beschreibt die Änderungen und Konsequenzen, welche sich aus den verschiedenen Revisionsständen der IPC-4101 ergeben haben.
Grundlegendes Basiswissen zu Materialparametern, Designkriterien und der Verarbeitung werden in den Kapiteln 2 bis 4 vermittelt. Die Anforderungen und Einsatzgebiete der Leiterplatte und deren Materialien haben sich in den letzten Jahren stetig geändert. Waren es vor Jahren noch Anforderungen an die Struktur der Leiterplatten bezüglich Leiterbahnbreite und -abstände, so sind es zunehmend neue Anforderungen wie Dauertemperaturbelastungen im Automotivbereich oder Hochstromkonzepte im Bereich erneuerbare Energien. Hinzu kommen stetig steigende Umweltanforderungen, die für den gesamten Lebenszyklus bis hin zum Recycling eines Produktes berücksichtigt werden müssen. Daraus entstand der Wunsch von Baugruppenherstellern und Layoutern nach einem Leitfaden für die Auswahl von geeigneten Basismaterialien, der in Konstruktionsunterlagen und Bestellungen einfließen kann. Dieser Wunsch wurde aufgegriffen, und in der ersten Auflage „Materialauswahl nach IPC 4101“ zusammengefasst.
Der Leitfaden „Materialauswahl nach IPC 4101“ ist von Praktikern für Praktiker geschrieben, um nützliche Ratschläge und Diskussionsgrundlagen den Anwendern und Kunden an die Hand zu geben. Die auf Praxiserfahrungen aufbauenden Informationen finden Sie in den nachfolgenden Kapiteln, um die geeigneten Materialien für die erforderlichen Leiterplatten je Anwendungsgebiet auszuwählen.
Hinweis:
In diesem Leitfaden „Materialauswahl nach IPC 4101E“ wurden nur Materialien der Kategorie FR-4.0 und FR-4.1 betrachtet. Für Materialien mit anderen Harzsystemen und Füllstoffen sind bei den hier mitwirkenden Leiterplattenherstellern umfangreiche Erfahrungswerte vorhanden. Bei Projekten können Sie uns gern konsultieren. Wir beraten Sie gern zur korrekten Materialauswahl. Um Mehraufwand zu vermeiden, sollten Kunden schon frühzeitig im Vorfeld die Leiterplattenhersteller einbinden. Wenn möglich, bereits in der Designphase. Es reicht heute nicht mehr aus, nur mit der bloßen Beschreibung wie FR4 ein geeignetes Material zu beschreiben. Heute steht für die unterschiedlichsten Anwendungen eine große Palette von Materialien für die unterschiedlichen Anforderungen weltweit zur Verfügung. Durch die Vielzahl der auf dem Weltmarkt verfügbaren oder erhältlichen Materialien ist eine genauere Beschreibung der Kriterien und benötigten Anforderungen wie Oberflächen, Dickkupfer, Semiflex, Strukturen, HAL bleifrei, Lötprozesse (Reflow 3x), Signalgeschwindigkeiten sowie Temperatureinsatz erforderlich. Weltweit agierende Unternehmen mit eigenen Entwicklungszentren sind in der Lage, für die unterschiedlichsten Anforderungen geeignete Materialien zu liefern. So gibt es heute auch kostengünstige, technologisch interessante Materialien im FR-4-Bereich Tg 130°, Mid-Tg 150° und Hoch-Tg 170° für die unterschiedlichsten Anwendungen. Darüber hinaus gibt es Materialimporteure (Händler), die verschiedene asiatische Materialhersteller in Europa vertreten. Die Verarbeitung der unterschiedlichsten Materialien hat auch Einflüsse auf den Herstellprozess bei den Leiterplattenherstellern, die immer wieder auf die zu bearbeitenden Materialien abgestimmt und weiterentwickelt werden müssen.
Die im Leitfaden „Materialauswahl nach IPC 4101E“ beschriebenen Faktoren und Einflüsse dienen dem Entscheider als Wegweiser und Plattform für den Prozess zur Materialauswahl. In den Kapiteln der „IPC 4101E“ sind aus Sicht der mitwirkenden Designer, Leiterplattenhersteller, Baugruppen-Hersteller und Entwickler, die aus deren Sicht wichtigsten Einflussfaktoren und deren Wirkungsweisen erläutert. Künftig ist dadurch eine bessere Klassifizierung zur Materialauswahl gewährleistet. Die theoretische Einführung in die Materialauswahl für Leiterplatten und deren Einsatzanforderungen basiert auf den Erfahrungswerten der beteiligten Autoren und Firmen. Sie erhebt nicht den Anspruch, alle eventuell auftretenden Anforderungen abzudecken. Dadurch soll gewährleistet werden, dass Leiterplatten den qualitativen Anforderungen der Weiterverarbeitung (z.B. Lagerung, Trocknung, Bestückung, Wellen-Löten, Reflow-Löten uvm.) im Anlieferzustand entsprechen. Die Anforderungen an Materialien und Prozesse zur Herstellung von Leiterplatten werden auch zukünftig weiterwachsen und damit auch die Komplexität der Herstell- und Weiterverarbeitungsprozesse.
Wir danken der Unterstützung des FED sowie den beteiligten Autoren und Firmen und den dazugehörenden Familien für das Verständnis, damit dieser Leitfaden entstehen konnte.
Die Autoren
Inhaltsübersicht
1 BASISMATERIAL
1.1 Änderungen der Rev. C nach Rev. D
1.2 Austauschbarkeit (Substitutability)
1.3 Systematik der IPC-4101E
1.4 Neu in der IPC-4101E-WAM1
1.5 Materialauswahl
1.5.1 Materialauswahl Beispiel 1
1.5.2 Materialauswahl Beispiel 2
2 BESCHREIBUNG AUSGEWÄHLTER MATERIALPARAMETER UND DEREN EINFLÜSSE AUF DIE MATERIALAUSWAHL
2.1 Glasübergangstemperatur Tg
2.1.1 Fehlerbilder bei thermo-mechanischer Überlastung
2.2 Zersetzungstemperatur Td 5%
2.3 Thermischer Ausdehnungskoeffizient CTE
2.4 Feuchteaufnahme
2.5 CAF – Conductive Anodic Filament
2.6 Dielektrizitätszahl Dk
2.7 Halogengehalt
2.8 Besonderheiten thermostabiler Materialien
2.8.1 Füllstoffe / Kupferhaftfestigkeit
2.8.2 Härtersysteme
2.9 Zusammenfassung
3 DESIGNKRITERIEN UND DEREN EINFLÜSSE AUF DIE AUSWAHL DES MATERIALS
3.1 Einflüsse aus der Schaltungserstellung
3.2 Leiterplattenaufbau
3.3 Strombelastung der Leiterbahnen
3.4 Isolationsanforderungen
3.5 Erhöhte Anforderungen an die Spannungs- und Durchschlagsfestigkeit
3.6 Hohe Dichte von Durchkontaktierungen mit unterschiedlichem Potential
3.7 Oberflächenfinish
3.8 Einsatz der Baugruppe
3.9 Faktoren, die die Dicke der Leiterplatte bestimmen
3.10 ESD und EMV
3.11 Designparameter
3.12 Bestückungstechnologie und Anzahl der Lötprozesse
3.13 Bauteilpositionen und Farbe
3.14 Masseflächen
3.15 Kupferschichtdicken
3.16 Testanforderungen
3.17 Non functional pads
3.18 Nutzengestaltung
3.19 Reparaturplanung
3.20 Kostenfaktoren
4 VERARBEITUNG
4.1 Lotsysteme
4.1.1 Lote
4.1.2 Flussmittel
4.1.3 Lotpaste
4.1.4 Prozessfenster
4.2 Reflowlöten
4.3 Dampfphasenlöten (Kondensationslöten)
4.4 Wellenlöten (Schwalllöten)
4.5 Selektivlöten
4.6 Handlöten
4.7 Rework
5 QUELLENVERZEICHNIS
