Der Einsatz von Basismaterial aus PTFE/Glasgewebe

Es ist doch erstaunlich, in der Leiterplattenbranche häufig Aussagen wie folgt zu hören: „Wir

setzen kein Teflon-Basismaterial ein, da dieses nur sehr schwierig zu verarbeiten ist“; „Wenn

Teflon-Basismaterial wie FR4 zu verarbeiten wäre, dann …“; „Die Oberflächenaufbereitung von

Teflon-Basismaterial ist zu kompliziert, zu teuer, zu unhandlich, zu …“; „PTFE-Laminate sind zu

teuer“; „Wir haben keine spezielle Linie für Teflon-Schaltungen“; „Wir sind nicht für

Sondermaterialien ausgelegt“; usw.

Was steckt eigentlich hinter diesen Aussagen? Sind sie berechtigt, oder beruhen sie auf

Unsicherheiten bezüglich Basismaterial aus PTFE-Glasgewebe?

Blickt man nicht einmal zehn Jahre zurück, dann waren Basismaterialien auf PTFE (= Polytetra-

fluorethylen, Teflon) tatsächlich Exoten, die nur begrenzt verfügbar waren, und die nur unter

Schwierigkeiten verarbeitet werden konnten. Doch wurden vor allem in den letzten Jahren große

Anstrengungen unternommen, diesen Mythos auszulöschen. In der Vergangenheit waren diese

Basismaterialien vorwiegend dem Militärbereich vorbehalten, und daher auch nur in geringen

Volumen benötigt. Doch seit der ersten großvolumigen kommerziellen Leiterplattenanwendung,

LNBs für Satellitenantennen, hat sich die PTFE-Welt drastisch verändert.

Verarbeitung

PTFE wird im Konsumbereich als Anti-Haftbeschichtung eingesetzt, da es aufgrund der

Molekularstruktur sehr inert ist. Nur durch drastische Mittel läßt sich dessen Oberfläche

aufbereiten. Um in der Leiterplattentechnik eine Lochwandaufrauhung von gebohrten PTFE/Glas-

Basismaterial zur besseren Haftung der Durchmetallisierung zu erzielen, war dies bis vor wenigen

Jahren nur durch durch eine Behandlung mittels Natriumnaphthalat möglich. Bei dieser

chemischen Behandlung kann es bei unsachgemäßer Handhabung zur Knallgasexplosion von

durch die Reaktion freigesetztem Wasserstoffgas kommen. Auch Abwasserbeauftragte eines

Leiterplattenherstellers wünschen sich „bessere“ Chemikalien. Seitdem Plasmaätzanlagen in der

Leiterplattenfertigung eingesetzt werden, können die Lochwände abwasserfrei und

umweltschonend aufbereitet werden. Da viele Leiterplattenhersteller auch flexible und/oder

starr/flexible Leiterplatten fertigen, sind Plasmaätzanlagen heute in der Branche weitverbreitet und

müssen nicht speziell für Leiterplatten aus PTFE/Glasgewebe angeschafft werden. Plasma-

ätzzyklen entweder mit reinem Stickstoff, gefolgt von einer Spülung mit Sauerstoff, oder mittels

Helium/Tetrachlormethan lassen Basismaterialien aus PTFE/Glasgewebe diesbezüglich zu einem

ebenso problemlosen Material wie FR4 werden.

Um eine Lochwandaufbereitung durchführen zu können, muß das Basismaterial im Schritt zuvor

gebohrt werden. Da PTFE im Vergleich zu FR4 sehr weich ist, bedarf es generell geänderter

Bohrparameter, die sich jedoch für die jeweilige Basismaterialtype unterscheiden: Nicht mehr in

der (z.Zt. für neue Designs inaktive) MIL-S-13949H abgedeckte Basismaterialien mit

Dielektrizitätskonstanten von 2.95 – 3.50 sind sogar mit nahezu identischen Bohrparametern wie

FR4 zu bohren: Schnittgeschwindigkeiten von ca. 140 m/min, mit im unteren Lochdurch-

messerbereich höheren Vorschüben nehmen auch hier dem Leiterplattenhersteller die

Unsicherheit des Unbekannten.

Sowohl Hersteller von Basismaterialien und Bohrern haben gemeinsam detaillierte Bohrparameter

erarbeitet, so daß diese an den Bohrmaschinen nur noch eingestellt werden müssen. Die häufige

Forderung nach FR4-Bohrbarkeit von Basismaterialien für Mikrowellenanwendungen zur angeblich

einfachen Verarbeitung ist in der Praxis nicht umsetzbar. Es ist ein Mythos, daß sich

Basismaterialien aus Duroplasten (d.h. warmhärtenden Kunststoffen) generell wie FR4 bohren

lassen. Jedem Leiterplattenhersteller ist heute auch bewußt, daß sich nicht jedes FR4 gleich

bohren läßt: Durch den Einsatz multifunktioneller FR4-Systeme mit höheren, jedoch

unterschiedlichen Glasumwandlungstemperaturen müssen je nach Basismaterialhersteller

eventuell andere Bohrparameter gefahren werden. Auch wenn es nur geringfügig andere Werte

sind, bedeutet dies andere Einstellungen an den Bohrmaschinen. Doch welchen Unterschied

macht es beim Programmieren, eine Ziffer um den Wert 1 oder 10 zu ändern?

Damit sind die Hauptunterschiede zu FR4 bereits aufgeführt. Weitere Verfahrensschritte, wie

Fotoresistverarbeitung, Ätzen, Durchmetallisieren, Aufbringen von Oberflächenschutz, usw. sind

branchenüblich.

Basismaterialtype Dielektrizitätskonstante

bei 10 GHz

Toleranz Dielektrischer

Verlustfaktor

bei 10 GHz

RF-35 3.50 ± 0.07 0.0018 **

TLC 2.75; 3.0; 3.20 ± 0.05 0.0030

TLE 2.95; 3.0 ± 0.05 0.0028

TLT 2,45; 2.50; 2.55; 2.60;

2.65 *

± 0.04 0.0006 *

TLX 2,45; 2.50; 2.55; 2.60;

2.65

± 0.04 0.0019

TLY 2.17; 2.20; 2.33 ± 0.02 0.0009

CER-10 10 0.0035

* bei 1 MHz

** bei 1.9 GHz

Tabelle 1: Basismaterialien aus PTFE/Glasgewebe (Dielektrizitätskonstante, dielektrischer

Verlustfaktor)

Multilayer

Zur Herstellung von Multilayern gibt es je nach Anforderung mehrere Möglichkeiten: Reine PTFE-

Multilayer sind nur durch Sintern bei hohen Temperaturen machbar. Sind auch im Bereich der

Verbundfolien niedrige dielektrische Werte gefordert, dann läßt sich dies durch FEP- bzw. CTFE-

Folien erreichen. Die weitaus häufigste Multilayervariante ist jedoch die des Hybridmultilayers, bei

der PTFE/Glasgewebe mittels z.B. FR4-Prepregs mit entweder doppelseitigem FR4 oder einem

FR4-Multilayer unter standardmäßigen FR4-Preßbedingungen verbunden wird (Abb. 1). Da bei

diesen Multilayern die vollständig kupferkaschierte, jedoch oxidierte Seite von Basismaterial aus

PTFE/Glasgewebe mit dem FR4-Prepreg verpreßt wird, erfolgt keine direkter Kontakt mit dem

PTFE, so daß die Richtlinien für reine HF-Multilayer hier nicht zur Anwendung kommen.

Im Rahmen einer Gesamtkostenbetrachtung sind dadurch beträchtliche Kosteneinsparungen

möglich: Anstelle von mehreren Digitalleiterplatten und einer HF-Leiterplatte, die alle durch

Steckverbinder, Kabel, usw. miteinander verbunden sind, ist es hiermit möglich, alles auf einem

Hybridmultilayer zu gestalten. Ein weiterer Vorteil ist der damit gewonnene Platzersparnis im

Gehäuse. Neueste Designs gehen sogar teilweise dazu über, reine HF-Lösungen als

PTFE/Glasgewebe-Einsätze in FR4-Leiterplatten zu gestalten.

Erzielte Vorteile sind mannigfaltig: Einsparungen an Steckverbindern, Kabeln, usw., um reine HF-

Schaltungen mit Digitalschaltungen zu verbinden, Platzersparnis, Steifigkeit des Multilayers, vor

allem in Hinblick auf SMD-Bestückung, usw. Die PTFE-Basismaterialhersteller stellen dazu

detaillierte Unterlagen zur Verfügung.