In den letzten Jahren haben wir bedeutende Fortschritte bei verschiedenen elektronischen Anwendungen erlebt, die zur Einführung immer innovativerer Technologien geführt haben. Zu den Sektoren, in denen die größte Entwicklung erzielt wurde, gehören die mobile Kommunikation (Smartphones und Tablet-PC), tragbare Geräte (einschließlich Geräte für virtuelle Realität und Augmented Reality) und elektromedizinische Geräte. Weitere wichtige Fortschritte wurden in der Automobil- und der Luft- und Raumfahrtindustrie erzielt. Der Innovationsschub in Verbindung mit der Verfügbarkeit neuer Fertigungstechnologien ermöglichte die Einführung neuer Materialien für die Herstellung immer dünnerer, leichter und, falls erforderlich, flexibler gedruckter Leiterplatten, die in der Lage sind, elektrische Signale mit immer höherer Geschwindigkeit und Frequenz zu übertragen.
Traditionelle Materialien und Substrate bestehen aus gewebtem Glasgewebe, Kunststoff (Harz) und Kupfer. Bei der Herstellung von Leiterplatten kommen verschiedene Arten von Harz und Glas zum Einsatz und die Art und Weise, wie sie kombiniert werden, beeinflusst die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Materials. Die beiden wichtigsten elektrischen Eigenschaften, die ein Material definieren, sind die Dielektrizitätskonstante (Dk) und die Verlusttangente (auch als Verlustfaktor oder Df bekannt), die beide erheblich von der Temperatur und der Frequenz abhängen, denen das Material oder Substrat ausgesetzt ist. Die Dielektrizitätskonstante gibt die Ladungsmenge an, die zwei Leiter halten können, wenn eine bestimmte Spannung an sie angelegt wird. Die Konstante Dk bestimmt auch die Geschwindigkeit, mit der ein bestimmter Strom in einem Leiter fließt. Der Verlusttangens liefert stattdessen ein Maß für die vom dielektrischen Material absorbierte elektromagnetische Energie.
Die modernsten elektronischen Anwendungen erfordern Materialien mit anderen Eigenschaften als die Materialien und Substrate, die üblicherweise bei der Herstellung von Leiterplatten eingesetzt werden. Auch wenn die Gründe, die für die Auswahl ausschlaggebend sind, vielfältig sind und strikt von der spezifischen Anwendung abhängen, umfasst eine mögliche Liste:
Der Anstieg der Frequenz der Signale, die sich über eine Leiterplatte ausbreiten, scheint unaufhaltsam zu sein. Diese Eigenschaft in Verbindung mit immer niedrigeren Versorgungsspannungen (insbesondere bei hochintegrierten digitalen Komponenten wie MCU, SoC und FPGA) führt zu großen Problemen bei der Signalintegrität. Anwendungen dieser Art umfassen Glasfaserübertragungskarten und -geräte, Computer und die meisten eingebetteten Systeme, die mit einer Verarbeitungseinheit ausgestattet sind.
Auf der Grundlage der im vorigen Absatz genannten Überlegungen können wir die beiden Schlüsselfaktoren identifizieren, die die Auswahl des für die spezifische Anwendung am besten geeigneten Materials und Substrats bestimmen: die maximale Leistung und die Wärmemenge, die die Leiterplatte aushalten kann. Obwohl diese Regel allgemein gilt und auf alle Arten von Materialien anwendbar ist, lassen sich durch den Einsatz folgender innovativer Materialien größere Vorteile erzielt werden:
Polyimid: dieses Material, auch als PI bekannt, hat in letzter Zeit dank der zunehmenden Beliebtheit von flexiblen und Starrflex-Leiterplatten einen großen Erfolg errungen. Diese Leiterplatten revolutionieren verschiedene elektronische Anwendungen, indem sie ehemals kritische elektrische Verbindungsprobleme auf effektive und einfache Weise lösen, insbesondere in Bezug auf die Zuverlässigkeit. Diese Aufgabe wird durch die Flexibilität erzielt, sich in engen oder unregelmäßig geformten Räumen zu biegen und zu wickeln. Im Gegensatz zu herkömmlichen starren Leiterplatten lassen sich flexible Leiterplatten biegen, ohne die Übertragung der von ihnen übertragenen elektrischen Signale zu verändern. Flexible Leiterplatten, die aus einem dünnen Polyimidfilm bestehen, der auf ein Substrat mit Leiterbahnen aufgebracht ist, kommen häufig in Smartphones, tragbaren Geräten, elektromedizinischen Geräten und überall dort zum Einsatz, wo flexible Verdrahtungslösungen benötigt werden, die für enge Räume geeignet sind. Neben der mechanischen Flexibilität weist das so erhaltene Material eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Wärme und atmosphärische Einflüsse auf. Starrflex-Leiterplatten, wie beispielsweise in Abbildung 1, werden durch Kombination eines starren Teils mit einem flexiblen Teil hergestellt. Diese Lösung verursacht derzeit höhere Kosten als herkömmliche Leiterplatten und kommt in der Automobil- und Motorradindustrie, im militärischen Bereich sowie in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz.
Abbildung 2: Beispiel einer metallkaschierten Leiterplatte.
Die neuen Materialien ermöglichen im Vergleich zu den traditionellen eine bessere Leistung und werden ständig und zunehmend weiterentwickelt, da sich viele mit der Signalintegrität zusammenhängende Aspekte verbessern lassen. Ein niedrigerer Dk-Wert verbessert Impedanzkontrolle, Übersprecheffekte, Flackern und Signalverzerrung. Ein niedrigerer Df-Wert hilft dagegen, die Anstiegs- und Abfallzeiten und die Gesamtdämpfung zu verbessern.