Hochtemperatur-Thermoplaste Auf der Suche nach kostengünstigen Materialien für HF-Schaltungen

Katja Ranocha, Heger: »Bereits bei der Entwicklung der ersten Generation – dem HTT-Board – sind wir eine sehr enge Partnerschaft mit der Uni Bayreuth und der TU Hamburg-Harburg eingegangen, die wir nun mit der Weiterentwicklung hin zur HF-Tauglichkeit noch intensiviert haben.«

Die Leiterplattenfirma Heger hat in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl Polymere Werkstoffe der Universität Bayreuth, der TU Hamburg-Harburg und der Firma Lehmann & Voss & Co die zweite Generation thermoplastischer PCBs entwickelt.

»Der enorme Preisvorteil, der im Vergleich zu konventionellen Systemen bei bis zu 50 Prozent liegen kann, macht diese Art der HF-Boards für viele Anwendungsbereiche wie die Luft- und Raumfahrttechnik besonders interessant«, erklärt Katja Ranocha, Geschäftsführerin der Firma Heger, und verweist auf die erste in ihrem Haus hergestellte HF-Platine mit hochgefüllten Hochtemperaturthermoplasten. Als Prototyp hat man ein Multilayer für in der Luftfahrt eingesetzte Monitore entwickelt, das so genannte »LuVo-Board«. Mit einer Enddicke von nur 0,6 bis 0,8 mm weist es sechs Lagen auf, mit Leiterbahnstrukturen und -abständen von 100 µm sowie Bohrungen und Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von 0,2 mm. Das Ergebnis stimmt zuversichtlich. Künftige Multilayer sollen für Applikationen von bis zu 60 GHz geeignet sein.

»Derzeit arbeiten wir an der Serientauglichkeit«, berichtet Katja Ranocha. Bereits die Erfahrungen mit der ersten Generation - dem HTT-Board und FR4-Pedant - ist Heger eine sehr enge Partnerschaft mit der Uni Bayreuth und der TU Hamburg-Harburg eingegangen, die nun mit der Weiterentwicklung hin zur HF-Tauglichkeit noch intensiviert wurde. »Von diesem intensiven Wissenstransfer und dem daraus gewonnen Know-how profitieren unsere Kunden.« Laut Katja Ranocha hat sich die Firma Heger bereits einen wichtigen Zeitvorsprung gegenüber dem Wettbewerb erarbeitet.

»Den Vergleich zu RO 4000 muss man nicht scheuen«

Mit dem neuartigen Platinensubstrat dringen die Universität Bayreuth und die TU Hamburg-Harburg indes in das Metier der Basismaterialhersteller vor: »Die hochgefüllte Hochtemperaturthermoplaste kann den Vergleich mit dem speziell für HF-Anwendungen konzipierten Platinensubstrat RO 4000 von Rogers durchaus aufnehmen«, betont Thomas Apeldorn, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Polymer Engineering der Universität Bayreuth. »Das LuVo-Board weist ähnliche Eigenschaften auf wie RO 4000 und kostet dabei nur halb soviel.« Beispielsweise liegt die minimale Haftfestigkeit zur Kupferfolie des LuVo-Boards bei 0,8 N/mm und ist damit mit dem Wert des häufig eingesetzten HF-Materials RO-4350b vergleichbar. Die Impedanztoleranzen liegen bei üblichen ±10 Prozent, die sich auf Anfrage auch auf ±5 Prozent reduzieren lassen. Gemessen bei 1 GHz, betrug die dielektrische Konstante 3,5 und der dielektrische Verlustfaktor 0,0021.

In den Innenlagen des ersten Multilayers liegt ein FR4-Kern, der über dünne FR4-Prepregs mit den »LuVo-Board«-Kernen verklebt ist. Nur die Außenlagen sind mit den Hochtemperaturthermoplasten ausgestattet. Am Ende steht ein hybrider Multilayer zur Verf-ügung. Die Entwicklung wurde von der Behörde für Wirtschaft und Arbeit in Hamburg im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms gefördert.

Die »hochgefüllte Struktur« im Detail

Bei der neuen Generation thermoplastischer Leiterplatten von Heger kommt ein Hochtemperaturthermoplast zum Einsatz, der, versetzt mit einem hohen Anteil an mineralischen Füllstoffen, einen erstaunlich geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Die Polymere (PEI, PES, PPS, PEEK) haben einen Ausdehnungskoeffizienten, der lediglich zwischen 45 und 55 ppm/K liegt und der mit der Modifizierung auf Werte zwischen 17 und 24 ppm/K in der x/y-Ebene und zwischen 25 und 50 ppm/K in z-Richtung verringert werden kann, was den Werten konventioneller Leiterplattensubstrate entspricht.

Möglich machen dies mit einem Ausdehnungskoeffizienten von ca. 0 bis 3 ppm/K sehr ausdehnungsarme Füllstoffpartikel, die mittels Extruder in die thermoplastische Matrix eingearbeitet werden. Sinnvollerweise sollten diese Füllstoffe zusätzlich geringe dielektrische Verlustfaktoren aufweisen. So sorgt beispielsweise die Zugabe von plättchenartigen mineralischen Füllstoffen für eine deutliche Senkung des Ausdehnungskoeffizienten in der x-/y-Ebene. Und nicht nur das: Durch die Einarbeitung von hohen Anteilen dieser mineralischen Füllstoffe ist es möglich, die Wasseraufnahme im gesättigten Zustand zu halbieren.