Bei der Erstellung eines Leiterplattenprojekts ist einer der ersten Schritte die Festlegung des Leiterbahnaufbaus. Dazu muss das zu verwendende Leiterplattenmaterial bekannt sein. Ohne die Materialwahl lässt sich die für impedanzgesteuerte Leiterbahnen entscheidende Dielektrizitätskonstante nicht bestimmen.
Darüber hinaus müssen Sie unter anderem Kosten, mechanische/elektrische Eigenschaften, Haltbarkeit und thermische Eigenschaften berücksichtigen. Aus diesem Grund benötigen Sie einen zuverlässigen Leiterplattenhersteller, der Sie bei Ihrer Entscheidung unterstützt. UET PCB ( https://uetpcb.com/components-sourcing/ ) hilft Ihnen bei der Auswahl der passenden Leiterplattenmaterialien und -komponenten.
Neue vs. alte Leiterplattenmaterialtechnologie im Jahr 2026
Mit Innovationen geht eine erweiterte Materialauswahl einher. Dieser Abschnitt befasst sich mit den verschiedenen Materialien, die in der folgenden Ära aufkamen.
FR4
Früher war FR4 das gängigste Material für Leiterplatten. Seit seiner Einführung im Jahr 1968 ist FR4 der universelle Standard in der Leiterplattenfertigung. Rund 70–80 % aller Leiterplatten in Elektronikgeräten bestehen heute aus FR4.
FR4-Eigenschaften:
- Kostengünstig
- Mechanisch stark
- Stabile Dielektrizitätskonstante
- Gute elektrische Isolierung
- Gute Wärmebeständigkeit
- Gute chemische Beständigkeit
- Einfach herzustellen
FR4 weist jedoch mechanische und thermische Einschränkungen auf. Das Material besitzt eine starre Struktur und eine Glasübergangstemperatur von Tg = 130 °C – 180 °C. Die Zersetzungstemperatur liegt bei Td = 300 °C – 340 °C. Aufgrund dieser Eigenschaften ist FR4 nicht für hohe Temperaturen und raue Umgebungen geeignet. Darüber hinaus weist FR4 eine höhere Variabilität der Dielektrizitätskonstante (Dk, 4.2 – 4.8) und einen höheren Verlustfaktor (tan δ, 0.015 – 0.025) auf, was die Signalqualität mit steigender Frequenz beeinträchtigen kann. Aus diesem Grund werden heutzutage andere Leiterplattenmaterialien wie Polyimid, Rogers, PTFE usw. eingesetzt.
Polyimid
Etwa in der zweiten Hälfte der 1960er-Jahre wurde Polyimidfolie für flexible Elektronik und Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt entwickelt. Polyimid ist biegsam und widerstandsfähig gegenüber hohen Temperaturen und rauen Umgebungsbedingungen. Obwohl die Herstellung dieses Leiterplattenmaterials teurer sein kann als die von FR-4, bietet es einige bemerkenswerte Eigenschaften. Polyimid findet breite Anwendung in Smartphones, Wearables, Tablets und Laptops als flexible oder starr-flexible Leiterplatte.
Eigenschaften von Polyimid:
- Extreme Hitzebeständigkeit
- Sehr flexibel
- Hohe Zugfestigkeit
- Vibrationsfest
- Elektrische Stabilität über den gesamten Temperatur- und Frequenzbereich
- Ultradünn und leicht
- Hoher Isolationswiderstand
Rogers
In den 1980er-Jahren begann das Zeitalter der Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik. Aufgrund der höheren Frequenzanforderungen benötigten Leiterplatten stabile elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften. Daher wurden verlustarme Materialien wie FR4, PTFE und Rogers entwickelt. Jedes dieser Materialien bietet Vorteile im Hochfrequenzbereich und zeichnet sich durch bessere thermische, mechanische und fertigungstechnische Eigenschaften aus. Aus diesem Grund werden Rogers-Leiterplatten häufig in 4G-, 5G- und IoT-Kommunikationsgeräten eingesetzt.
Beispiele für Materialeigenschaften von Rogers-Materialien sind Dk (Dielektrizitätskonstante), Df (Verlustfaktor) und Rz/Ra (Kupferrauheit). Beispielsweise weisen Materialien auf Rogers-Basis folgende Eigenschaften auf:
Rogers-Immobilien:
- Eine niedrige Dielektrizitätskonstante (Dk/εr) bedeutet, dass es je nach Materialgüte schnellere Signale verarbeiten kann (z. B. RO4000 – 500 MHz – 20 GHz, RO3000 – 30 GHz, RT/duroid – 40 – 100 GHz).
- Ein niedriger Tangens ((Df/tan δ)) bedeutet geringen Signalverlust bei höheren Frequenzen.
- Eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) bedeuten, dass es als besserer Wärmeverteiler fungiert und sich bei zunehmender Wärme weniger ausdehnt.
- Die geringe Feuchtigkeitsaufnahme bedeutet, dass es auch in feuchter Umgebung gute Ergebnisse liefert.
- Kann unter bestimmten Belastungen seine Größe und Form beibehalten.
Kosten der Leiterplattenmaterialien
Sie sollten nun, da Sie die Unterschiede zwischen verschiedenen Leiterplattenmaterialien kennen, in der Lage sein, die Kosten für die Leiterplattenfertigung präzise zu kalkulieren. Nachfolgend finden Sie die Vor- und Nachteile der einzelnen Leiterplattenmaterialien im Hinblick auf die Kosten.
FR4 Vorteile/Nachteile
FR4 bietet Ihnen ein optimales Preis-Leistungs-Verhältnis. Es eignet sich für nahezu alle allgemeinen Elektronikanwendungen mit Frequenzen unter 1 GHz. Aufgrund der Variabilität der Dielektrizitätskonstante (Dk) von FR4 bei höheren Frequenzen lassen sich Leistungsveränderungen durch Temperaturschwankungen jedoch nicht kontrollieren. Diese Eigenschaft ist für impedanzkontrollierte Leitungen kritisch. Zudem führt der höhere Verlustfaktor (Df) zu einer Signaldämpfung bei höheren Frequenzen. Daher ist bei der Verwendung von FR4 für Anwendungen im Mikrowellen- oder Millimeterwellenbereich mit einer geringeren Antenneneffizienz zu rechnen.
Vorteile/Nachteile von Polyimid
Wenn Ihr Projekt Biegebeanspruchung und hohe thermische oder mechanische Anforderungen erfordert, ist Polyimid die richtige Wahl. Beachten Sie jedoch, dass Polyimid – ähnlich wie FR4 – einen höheren Verlustfaktor (Δf) (0.0004 – 0.009) und eine variable Dielektrizitätskonstante (Δk) aufweist. Daher wird Polyimid selten für Hochfrequenz-Mikrowellen-/Millimeterwellenanwendungen eingesetzt.
Polyimid spielt seine Stärken jedoch in anspruchsvollen Umgebungen aus (wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Öl- und Gasindustrie sowie im Militärbereich) und ist sein Geld auf jeden Fall wert. Darüber hinaus eignet sich Polyimid hervorragend für Smartphones, Wearables und versiegelte, nicht wartungsfähige Elektronik.
Rogers Vorteile/Nachteile
Rogers-Materialien eignen sich besonders für Leiterplatten im Hochfrequenzbereich (Mikrowellen/Millimeterwellen). Sie bieten deutliche Vorteile hinsichtlich der Dielektrizitätskonstante (Dk) und der Grenzfrequenz (Df). Darüber hinaus lassen sich einige Rogers-Materialien ähnlich einfach herstellen wie FR4-Leiterplatten. Dies ist ein Vorteil gegenüber PTFE, einem anderen Hochfrequenzmaterial und einem Teflon-basierten Laminat. PTFE ist aufwendig in der Verarbeitung, da es zusätzliche Fertigungsprozesse erfordert. So werden spezielle Werkzeuge, zusätzliche Haftvermittler für die Galvanisierung und spezielle Mehrlagenlaminierungszyklen benötigt. Dadurch sind Rogers-Materialien eine kostengünstigere Alternative zu PTFE.
Die Materialien von Rogers finden Anwendung in 4G-, 5G- und IoT-Designs. 5G kann sich bis in den Millimeterwellenbereich (30 GHz bis 300 GHz) erstrecken. Der Einsatz von FR4- oder Polyimidmaterialien in diesen Leiterplattendesigns ist nicht möglich. Daher sind Rogers-Materialien aufgrund ihrer überlegenen HF-Leistung und Verarbeitbarkeit zur bevorzugten Wahl für moderne Kommunikationssysteme geworden.
Fazit
FR4, Polyimid und Rogers gehören zu den aktuell beliebtesten Leiterplattenmaterialien. Sie sollten sich darüber im Klaren sein, welches Material für Ihre Leiterplattendesigns am besten geeignet ist. Berücksichtigen Sie bei Ihrer Auswahl stets die Kosten, die jeweilige Anwendung und die einfache Herstellbarkeit. Wählen Sie daher einen Leiterplattenhersteller mit umfassendem Know-how und langjähriger Erfahrung in diesem Bereich, wie beispielsweise UET PCB. UET PCB ist seit über 15 Jahren ein zuverlässiger Partner in der Elektronikindustrie.