FR4 vs. Rogers: Welches PCB-Material sollten Sie wählen?

Traditionell stellen Hersteller Leiterplatten (PCBs) aus Materialien her, die hitzebeständig und daher kostengünstig zu produzieren sind. Mit dem zunehmenden Einsatz von Hochfrequenzanwendungen in der Elektronikindustrie reicht FR4 allein jedoch nicht mehr aus. Manche Geräte sind zwar keinen extremen Temperaturen ausgesetzt, müssen aber im HF- bzw. Radiofrequenzbereich arbeiten. Aufgrund der extremen Leistungsanforderungen im HF-Bereich sind spezialisierte Materialien wie Rogers erforderlich, um die beste Funktionalität von Leiterplatten zu gewährleisten. Lesen Sie auch unseren aktuellen Artikel über verschiedene Via-Typen im PCB-Design. Das umfangreiche PCB-Materialportfolio von Rogers ermöglicht den Einsatz in unterschiedlichsten Anwendungen, darunter:

• 5G-NR-mmWave-Antennen
• Satellitenkommunikation
• Radarsysteme
• Automobilsensoren
• Luft- und Raumfahrtavionik
• Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation
• Test- und Messgeräte

Sehen wir uns an, was Rogers-PCB-Materialien zu solch überlegenen Lösungen für diese hochmodernen Elektronikbereiche macht.

Was ist FR4:

FR4 ist ein duroplastischer, glasfaserverstärkter Epoxidharz-Verbundwerkstoff. Es ist das traditionelle Basismaterial für die meisten Leiterplatten und steht für „Flame Retardant Level 4“. Als Verbundmaterial aus Epoxidharz und Glasfaser wird es in Form von Platten hergestellt und ein- oder beidseitig mit Kupferfolie laminiert.

Wichtige Eigenschaften und Merkmale von FR4:

Geringe Kosten – FR4 ist eines der wirtschaftlichsten PCB-Substratmaterialien
Mittlere Dielektrizitätskonstante – etwa 4,5 bei 1 MHz
Mittlerer Verlustfaktor – etwa 0,02 bei 1 MHz

Allerdings weist FR4 bei höheren Frequenzen Leistungsgrenzen aufgrund dielektrischer Verluste auf und ist daher für viele HF-Anwendungen ungeeignet. Die relativ hohe und inkonsistente Dielektrizitätskonstante sowie der Verlustfaktor machen FR4 zudem zu einer schlechten Wahl für präzise analoge und hochschnelle digitale Schaltungen.

Was ist Rogers:

Im Gegensatz zu FR4 bieten Rogers-Substratmaterialien unterschiedliche Materialzusammensetzungen. Einige basieren auf Keramik statt auf Glas. Es sind verschiedene Zusammensetzungen verfügbar, etwa gewebtes Glas, verstärkt mit Kohlenwasserstoffen, die elektrische Eigenschaften bieten, die sehr nahe an PTFE heranreichen.

Wichtige Eigenschaften von Rogers-Materialien:

Stabile Dielektrizitätskonstante – eng kontrolliert, je nach Material im Bereich von 2,9 bis 10,2

Niedriger Verlustfaktor – etwa 0,0009 bis 0,002 bei 10 GHz

Hervorragende Hochfrequenzleistung – geringe Signalverluste bis in den mmWave-Bereich

Geringe thermische Ausdehnung – angepasst an den Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer für hohe Zuverlässigkeit

Die präzisen dielektrischen Eigenschaften, die gute Anpassung an Kupfer und die geringen Verluste machen Rogers zur idealen Wahl für leistungsorientierte Anwendungen in den Bereichen Mikrowellentechnik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Hochzuverlässigkeit. Allerdings führen die speziellen Materialzusammensetzungen dazu, dass Rogers pro Fläche etwa 5- bis 10-mal teurer ist als FR4.

Arten von Rogers-PCB-Materialien:

Rogers stellt verschiedene PCB-Materialtypen für unterschiedliche Anwendungen her. Dazu gehören:

7 Hauptunterschiede zwischen FR4- und Rogers-Material:

1. Betriebsfrequenz

Der größte Unterschied zwischen herkömmlichen FR4-Leiterplatten und solchen aus Rogers-Material liegt im Einsatzbereich. FR4-PCBs arbeiten zuverlässig nur innerhalb eines begrenzten Frequenzbereichs. Rogers-PCBs hingegen können über einen deutlich größeren Frequenzbereich hinweg eingesetzt werden. Während FR4-PCBs kaum 10 MHz erreichen, funktionieren Rogers-PCBs problemlos bei Anwendungen weit über 500 MHz hinaus.

2. Materialhärte

Zwischen FR4 und Rogers gibt es einen deutlichen Unterschied in der Materialhärte. FR4 besteht hauptsächlich aus Epoxidharz und ist relativ hart. Rogers-Materialien auf Kohlenwasserstoffbasis sind im Vergleich dazu weicher.

3. Verarbeitungstechnologie

Obwohl Rogers-Materialien für Hochfrequenzanwendungen entwickelt wurden, unterscheiden sie sich von PTFE-Mikrowellen-PCB-Materialien. Die Rogers-Materialserien erfordern keine besonderen Behandlungen wie spezielle Durchkontaktierungsprozesse, und es sind keine zusätzlichen technologischen Schritte notwendig.

FR4 ist ein Epoxid-Glasgewebe-Laminat mit stabiler elektrischer Isolierung, glatter Oberfläche, guter Ebenheit und ohne Lunker. Es eignet sich für Produkte mit hohen Anforderungen an die elektrische Isolierung sowie als Trägermaterial für PCB-Bohrungen, FPC-Verstärkungen, Planetengetriebe, Testplatten, Motorisolierungen und vieles mehr.

4. Kosten

Die Kosten sind ein wichtiger Faktor bei elektronischen Geräten. Kunden suchen Hersteller, die PCBs mit optimaler und wirtschaftlicher Leistung anbieten. FR4 hilft, Kosten zu sparen, eignet sich jedoch hauptsächlich für Anwendungen mit niedrigen Frequenzen und moderaten Temperaturen. Für Hochgeschwindigkeits- oder Hochtemperaturanwendungen ist Rogers trotz höherer Kosten die bessere Wahl.

5. Impedanzstabilität

Die maximale Dielektrizitätskonstante von FR4 beträgt etwa 4,5. Rogers-Materialien hingegen weisen eine Dielektrizitätskonstante von etwa 2,2 bis 12,85 auf. Die höhere Stabilität der Dielektrizitätskonstante bei Rogers trägt zu einer besseren Impedanzstabilität bei.

6. Thermische Leistungsfähigkeit

Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen muss die Leiterplatte eine bessere thermische Belastbarkeit besitzen, um Überhitzung und Funktionsstörungen zu vermeiden. Rogers-PCBs bieten aufgrund ihrer höheren thermischen Leistungsfähigkeit bessere Ergebnisse als FR4 bei hohen Temperaturen und hohen Geschwindigkeiten.

7. Signalintegrität

Rogers-PCB-Materialien haben einen Verlustfaktor von etwa 0,004 %, während FR4 einen Verlustfaktor von etwa 0,02 % aufweist. Der deutlich niedrigere Verlustfaktor von Rogers führt zu wesentlich geringeren Signalverlusten und somit zu einer besseren Signalintegrität.

Fazit:

Wir haben einen umfassenden Vergleich zwischen FR4- und Rogers-PCB-Materialien vorgestellt und erläutert, wie das optimale Material für eine bestimmte Anwendung ausgewählt werden kann. Rogers-PCB-Materialien haben den Vorteil, dass sie keine speziellen Fertigungsprozesse erfordern. In geeigneten Fällen können Entwickler die höheren Kosten von Rogers kompensieren, indem sie es nur für Hochfrequenzlagen einsetzen und FR4 für die übrigen Lagen verwenden.

Für die Leiterplattenfertigung im Radio- und Mikrowellenbereich, in der mobilen Netzwerktechnik und in der Raumfahrt bieten Rogers-PCB-Materialien eine kompromisslose Leistung im Vergleich zu allen anderen PCB-Materialien, einschließlich FR4. Obwohl sie teurer sind als andere Materialien, sind Rogers-PCB-Materialien die zusätzlichen Kosten wert, wenn Leiterplatten unter ungünstigen Umweltbedingungen, bei hohen Frequenzen und mit sehr hoher Zuverlässigkeit arbeiten müssen.