Was ist Copper Clad Laminate (CCL)? PCB-Laminat-Leitfaden

Kupferkaschiertes Basismaterial (Copper Clad Laminate, CCL) bildet das mechanische und elektrische Fundament jeder Leiterplatte. Es besteht aus einem dielektrischen Isolierstoffträger – üblicherweise mit Harz imprägniertes Glasfasergewebe –, der unter Hitze und hohem Druck ein- oder beidseitig mit Kupferfolie verpresst wird. Im Fertigungsprozess belichtet der Leiterplattenhersteller das Leiterbild auf diese Kupferschicht, ätzt das nicht benötigte Kupfer ab und verpresst mehrere dieser Kerne (Cores) mit Prepregs zu einem Multilayer.

Das Laminat bestimmt maßgeblich die Performance und Zuverlässigkeit der Baugruppe. Die Zusammensetzung aus Harzmatrix und Glasgewebe definiert die Glasübergangstemperatur (Tg), das thermische Ausdehnungsverhalten (CTE), die Dielektrizitätskonstante (Dk), den Verlustfaktor (Df) sowie die Kriechstromfestigkeit (CTI). Wird das Laminat gewechselt, verändern sich diese Kenngrößen grundlegend – selbst wenn die Gerber-Daten exakt identisch bleiben.

Der folgende Überblick analysiert den Aufbau von CCL-Materialien, vergleicht gängige Basismaterialtypen und bewertet die entscheidenden Materialparameter für das Schaltungsdesign. Präzise Vorgaben auf der Fertigungszeichnung stellen sicher, dass ungeplante Materialsubstitutionen im Fertigungsprozess ausgeschlossen werden.

Das Wichtigste auf einen Blick

Kupferkaschiertes Basismaterial (CCL) ist das Grundmaterial jeder Leiterplatte: ein dielektrischer Kern mit beidseitiger Kupferfolie. Prepreg fungiert als ungehärtete Klebelage zwischen den Kernen.
Die meisten Starr-PCBs setzen auf FR-4-CCL. Für spezielle thermische, elektrische oder mechanische Anforderungen stehen High-Tg-FR-4, Low-Loss-Laminate, PTFE- und Kohlenwasserstoff-RF-Materialien, Polyimid sowie Metallkern-Substrate bereit.
Relevante Vergleichsparameter sind Tg, Td, CTE, Dk/Df bei Einsatzfrequenz, CTI und der Kupferfolientyp. Datenblattwerte lassen sich nur bei identischer Messmethode und Messfrequenz realistisch vergleichen.
Spezifizieren Sie Laminate entweder über die exakte Produktbezeichnung oder über definierte Eigenschaftswerte, und legen Sie verbindlich fest, ob Äquivalente zulässig sind.
Ein Materialwechsel ist nur dann sicher, wenn alle für das Design kritischen Parameter gleichwertig oder besser ausfallen und die Freigabe dokumentiert ist.

Woraus besteht Copper Clad Laminate (CCL)?

Ein CCL besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten:

Komponente	Materialbasis	Primäre Eigenschaften
Trägermaterial (Verstärkung)	Glasfasergewebe bei den meisten Starr-Leiterplatten; Hartpapier oder Verbundstoffe bei Low-Cost-Materialien; ungefüllt bei reinen PTFE- oder Polyimid-Folien	Mechanische Festigkeit, Dimensionsstabilität und dielektrische Grundeigenschaften
Harzsystem	Epoxidharz (FR-4), modifiziertes Epoxidharz, Polyphenylenether-Blends (PPE), Kohlenwasserstoff-Harze, PTFE, Polyimid oder BT	Tg, Td, CTE, Feuchtigkeitsaufnahme, Dk/Df, Flammwidrigkeit
Kupferfolie	Dünne, aufkaschierte Kupferfolie; spezifiziert nach Flächengewicht (z. B. 0.5 oz oder 1 oz)	Leiterbahndicke, Ätzschärfe (Etch Definition), Haftfestigkeit (Peel Strength) und HF-Leiterbahnverluste

Copper Clad Laminate vs. Prepreg

Ein Core (Kern) ist ein vollständig ausgehärtetes Basismaterial, das bereits beidseitig mit Kupfer kaschiert ist. Prepreg („pre-impregnated“) besteht aus Glasgewebe mit vorimprägniertem, lediglich teilgehärtetem Harz (B-Zustand). Beim Verpressen des Multilayers verflüssigt sich das Prepreg-Harz unter Druck und Temperatur, fließt in die Zwischenräume und vernetzt vollständig, um Cores und äußere Kupferfolien zu einem Verbund zu fügen. Der fertige Multilayer ist folglich ein Lagenaufbau aus CCL-Cores und Prepreg-Schichten.

Beide Komponenten stammen aus derselben Materialfamilie. Bei der Materialspezifikation werden Core und das darauf abgestimmte Prepreg stets gemeinsam festgelegt.

Kupferfolie auf dem CCL

Kupferfolien werden nach Flächengewicht spezifiziert. Im Standard-Stackup-Katalog von APT entspricht 0.5 oz Basiskupfer einer Dicke von 0.0175 mm und 1 oz einer Dicke von 0.035 mm; für Leistungsbaugruppen kommen entsprechend höhere Schichtdicken zum Einsatz. Außenlagen starten üblicherweise mit dünnerer Basisfolie und erreichen ihre finale Nenndicke erst durch die galvanische Aufkupferung im Durchkontaktierungsprozess.

Ebenso entscheidend ist das Oberflächenprofil der Folie: Eine rauere Oberfläche verkrallt sich besser im Harz. Glatte Low-Profile-Folien reduzieren dagegen die Leiterbahnverluste bei Multi-Gigabit- und HF-Frequenzen durch minimierten Skin-Effekt. Bei Frequenzen ab wenigen Gigahertz gehört der Folientyp neben der Laminatbezeichnung zwingend mit in die Fertigungszeichnung.

Typen kupferkaschierter Basismaterialien

Zwischen diesen kupferkaschierten Basismaterialien (CCL) wählen Entwickler typischerweise. Die angegebenen Kennwerte stammen aus den Material- und Fertigungsspezifikationen von APT; vollständige Testbedingungen enthalten die jeweiligen Produktdatenblätter.

CCL-Typ	Aufbau	APT-Spezifikationswerte	Typischer Einsatz	Substitutionsrisiko
Standard-FR-4	Glasgewebe und Epoxidharz	Standard-Tg 135 °C	Konsumelektronik und Standardanwendungen, geringe Lagenanzahl	Gering, sofern Tg und Dickentoleranzen übereinstimmen
Mid-Tg-FR-4	Modifiziertes Epoxidharz	Mid-Tg 150 °C	Industrieprodukte, moderate Reflow-Zyklen	Gering bis mäßig
High-Tg-FR-4	Multifunktionelles oder phenolgehärtetes Epoxidharz	Tg 170–210 °C, Td ≥340 °C; Dk ≈4.0 bei gängigen Typen wie 370HR und IT-180A	Dicke Multilayer, mehrfache bleifreie Reflow-Zyklen, Automotive und Industrie	Mäßig; Td, CTE und CAF-Verhalten unterscheiden sich auch bei identischer Tg
Low-Loss / High-Speed	Modifizierte Harzsysteme, oft Low-Profile-Kupferfolie	Megtron 4: Dk 3.6, Df 0.005 bei 1 GHz; Megtron 6: Dk 3.4, Df 0.002 bei 1 GHz	Digitale Signalpfade ab 10–25 Gbps, Backplanes	Hoch; Dk und Df beeinflussen Impedanz und Dämpfung direkt
Kohlenwasserstoff / Keramik-gefüllt (RF)	Duroplastischer Kohlenwasserstoff mit Keramikfüllstoff	RO4003C: Dk 3.38 und RO4350B: Dk 3.48 bei 10 GHz (Messwert nach Testmethode)	RF-Frontends, Antennen, Radar	Hoch; Dk-Toleranz und Verluste gehen direkt ins Design ein
PTFE	PTFE mit Glas- oder Keramikfüllstoff	RT/duroid 5880: Dk 2.20, Df 0.0009	Mikrowellen und mmWave	Sehr hoch; Verarbeitung und Dk variieren je nach Produkt
Polyimid (Flex)	Polyimidfolie mit Kupfer, kleberbasiert oder kleberlos	Produktspezifisch	Flex- und Starr-Flex-Leiterplatten	Hoch; Biegezyklen und Klebersystem entscheidend
Metallkern (IMS)	Dünnes, wärmeleitendes Dielektrikum auf Aluminium oder Kupfer	Produktspezifisch; Wärmeleitfähigkeit hängt von der Testmethode ab	LEDs und Leistungselektronik	Hoch; Wärmewiderstand und Spannungsfestigkeit entscheidend

Die Dk-Werte von Rogers-Materialien verdeutlichen den Einfluss der Testbedingungen. Die Rogers-Materialseite von APT nennt sowohl den Clamped-Stripline-Messwert (3.48 für RO4350B bei 10 GHz) als auch ein separates „Design Dk“ für Feldsolver (3.66). Das Basismaterial bleibt dabei identisch – lediglich die Messmethode unterscheidet sich.

CCL-Eigenschaften: Tg, Dk/Df, CTI

Tg und Td

Die Glasübergangstemperatur (Tg) markiert den Punkt, an dem das Harz von einem starren, glasartigen in einen weichen, gummiartigen Zustand übergeht. Oberhalb der Tg dehnt sich das Basismaterial in Z-Richtung deutlich stärker aus, was Durchkontaktierungen mechanisch extrem belastet. Die Zersetzungstemperatur (Td) gibt an, ab welcher Temperatur das Harz durch thermische Zersetzung messbar an Masse verliert. Für bleifreie Lötprozesse mit mehreren Reflow-Zyklen sind beide Parameter entscheidend. APTs Seite zu High-Tg-Leiterplatten empfiehlt, bei der Materialauswahl Tg, Td, CTE (x, y, z) und CTI gemeinsam zu spezifizieren, statt sich allein auf den Tg-Wert zu verlassen.

Dk und Df

Die Dielektrizitätskonstante Dk (relative Permittivität) bestimmt die Signalausbreitungsgeschwindigkeit und zusammen mit der Leiterbahngeometrie die Impedanz. Der Verlustfaktor Df (Loss Tangent) definiert, wie viel Signalenergie im Dielektrikum in Wärme umgewandelt wird. Beide Kenngrößen variieren mit der Frequenz, dem Harzgehalt und dem Glasgewebetyp. Bei impedanzkontrollierten Leiterplatten muss der im Field Solver angesetzte Dk-Wert exakt zum tatsächlich verpressten Laminat passen. Schon ein Wechsel des Basismaterials verschiebt die Impedanz – selbst bei völlig identischer Kupfergeometrie.

CTI

Die Kriechstromfestigkeit (Comparative Tracking Index, CTI) beschreibt, wie widerstandsfähig die Laminatoberfläche gegen Kriechspurbildung unter elektrischer Spannung und Kontamination ist. Das ist vor allem bei Netzspannungs- und Hochvolt-Baugruppen relevant, bei denen Sicherheitsnormen Mindestkriechstrecken vorgeben. Auf APTs High-Tg-Seite finden sich Materialoptionen mit CTI ≥ 600 für Baugruppen mit hohen Anforderungen an den Kriechwegschutz. Fordert die jeweilige Sicherheitsnorm eine bestimmte Isolierstoffgruppe, gehört die CTI-Vorgabe direkt in die Materialspezifikation der Fertigungsunterlagen.

Weitere relevante Materialeigenschaften

Z-Achsen-CTE, Feuchtigkeitsaufnahme, CAF-Beständigkeit, Entflammbarkeitseinstufung und Halogenfreiheit können je nach Einsatzprofil das ausschlaggebende Kriterium sein. Zwei Laminate mit identischem Tg-Wert verhalten sich bei diesen Parametern keineswegs automatisch gleich.

Auswahl des passenden PCB-Laminats

Bestimmen Sie zuerst anhand der kritischsten Anforderung des Designs die Materialfamilie und grenzen Sie das konkrete Produkt anschließend über die weiteren Parameter ein.

Signalgeschwindigkeit oder Frequenz. Bei Multi-Gigabit-Verbindungen oder RF-Leitungen stehen die dielektrischen Verluste und die Dk-Toleranz an erster Stelle. Für kurze, langsame Signale reicht Standard-FR-4 meist aus.
Thermische Belastung. Berücksichtigen Sie die Anzahl der Reflow-Zyklen, Rework-Prozesse und die Betriebstemperatur. Dicke Multilayer-Leiterplatten mit mehreren bleifreien Lötzyklen verlangen in der Regel High-Tg-Materialien.
Spannung und Sicherheitsnormen. Bei Netzspannung, Hochvolt-Designs oder begrenzten Kriechstrecken schreiben die Sicherheitsstandards den CTI-Wert oder die Materialgruppe vor.
Mechanische Anforderungen. Flex-, Starr-Flex- oder Metallkern-Aufbauten wechseln die Materialbasis grundlegend.
Lieferkette und Kosten. Manche Laminate sind standardmäßig ab Lager verfügbar, andere haben lange Lieferzeiten. Ein Hybrid-Stackup, bei dem Low-Loss-Material nur auf den dafür benötigten Lagen liegt, hält die Kosten unter Kontrolle.

Der Leitfaden zur PCB-Materialauswahl vertieft diese Kriterien und zeigt, wann der Wechsel von FR-4 zu RF-, Metallkern-, Keramik- oder Flex-Materialien sinnvoll ist. Für eine herstellerspezifische Übersicht ordnet der Kingboard-PCB-Laminat-Leitfaden die Varianten dieses Herstellers nach Tg und dielektrischen Verlusten ein.

PCB-Laminat in der Fertigungszeichnung spezifizieren

Für die Laminatspezifikation gibt es zwei Wege; die Zeichnung muss die gewählte Methode eindeutig definieren.

Über den Produktnamen: Zum Beispiel „Isola 370HR“ oder „Rogers RO4350B“. Das schafft Klarheit, verhindert bei Lieferengpässen jedoch den schnellen Wechsel auf ein gleichwertiges Ersatzmaterial.
Über Eigenschaftsparameter: Zum Beispiel über minimale Werte für Tg und Td, einen Dk/Df-Bereich bei definierter Frequenz, CTI-Anforderungen, Entflammbarkeitsklasse sowie Halogenfreiheit. Dies erlaubt Äquivalente, setzt aber voraus, dass alle designrelevanten Parameter exakt spezifiziert sind.

Geben Sie in beiden Fällen Folgendes an:

Enddicke der Leiterplatte inklusive Toleranz
Kupferauflage jeder Lage
Ob „oder Äquivalent“ zulässig ist und wer die Freigabe erteilt
Referenzierte IPC-4101-Spezifikationsblätter
Folientyp, falls verlust- oder impedanzkritisch

Die FR4 PCB-Seite von APT führt die regulär verfügbaren FR-4-Optionen auf: Standard-Tg 135 °C, Mid-Tg 150 °C, High-Tg 170/180 °C sowie Low-Loss-FR-4 wie 370HR, IT-180A, EM-370 und S1000H. Entspricht eine dieser Optionen den Anforderungen, verkürzt die direkte Nennung die Materialfreigabe.

Wann ein Laminattausch zulässig ist

Ein Laminatwechsel kommt vor, wenn das spezifizierte Basismaterial nicht rechtzeitig lieferbar ist oder ein günstigeres Äquivalent vorgeschlagen wird. Ein Austausch ist zulässig, sobald das Ersatzmaterial jede designrelevante Eigenschaft gleichwertig erfüllt oder übertrifft und die Änderung freigegeben sowie dokumentiert wird.

Prüfen Sie vor der Freigabe folgende Punkte:

Sind Tg, Td und der z-Achsen-CTE gleichwertig oder besser?
Liegt bei impedanzkontrollierten Lagen das Dk bei der Zielfrequenz nah genug am Originalwert, damit der Lagenaufbau die Zielimpedanz einhält? Berechnet der Leiterplattenhersteller den Aufbau neu und verifiziert ihn per Coupon?
Ist bei verlustkritischen Signalen das Df bei der Arbeitsfrequenz gleich oder niedriger und kommt derselbe Kupferfolientyp zum Einsatz?
Stimmen CTI, Entflammbarkeitsklasse und Halogenstatus überein (besonders relevant bei Sicherheitszulassungen)?
Sind die Dicken für jeden Core und jedes Prepreg verfügbar, sodass die Enddicke der Baugruppe exakt eingehalten wird?
Wird die Änderung im Fertigungsbegleitschein (Traveler) und im Werkszeugnis (Certificate of Conformity) lückenlos dokumentiert?

Lässt sich eine dieser zutreffenden Fragen nicht mit Ja beantworten: Beim Originalmaterial bleiben oder den Aufbau neu qualifizieren. Eine Leiterplatte, die den elektrischen Test besteht, kann im Feldeinsatz dennoch versagen, wenn das Ersatzlaminat eine schlechtere Td oder geringere CAF-Beständigkeit aufweist.

Erforderliche Angaben für das PCB-Laminat-Review

Laminatbezeichnung oder gefordertes Eigenschaftsprofil sowie Angabe, ob Äquivalente zulässig sind
Stackup mit Kern- und Prepreg-Dicken, Kupferstärken und Enddicke
Impedanzvorgaben und relevante Arbeitsfrequenz
Anzahl der Reflow-Zyklen, Reflow-Profiltyp und Betriebstemperaturbereich
Spannungsanforderungen, Kriechstrecken oder Sicherheitsnormen mit Einfluss auf den CTI
Geforderte Zuverlässigkeitstests (z. B. Thermoschock, T260/T288 oder CAF)

Warum APTPCB bei der Laminatauswahl einbinden?

APT prüft das Laminat vor der Freigabe direkt zusammen mit dem Stackup. Dadurch werden Impedanzen, Enddicke und thermische Vorgaben mit real verfügbaren Materialien abgeglichen. Bei FR-4-Aufbauten verifiziert das Team für die FR4-Leiterplattenfertigung, ob eine Standard-, Mid-Tg-, High-Tg- oder Low-Loss-Variante optimal passt. APTs Rahmenverträge sichern den Zugriff auf Standard-, High-Tg- und Low-Loss-FR-4 ab. Für verlustarme und RF-Materialien führt die Materialübersicht die verarbeitbaren Laminatfamilien auf. Jede Materialsubstitution wird vor dem Fertigungsstart verbindlich per Engineering Query abgestimmt – nicht erst im Nachhinein.

Relevante Normen und Referenzen:

IPC-4101: Spezifikation für Basismaterialien für starre und Multilayer-Leiterplatten
IPC-4103: Spezifikation für Basismaterialien für High-Speed- und Hochfrequenzanwendungen
IPC-4204: Flexible metallkaschierte Dielektrika für flexible Leiterplatten
IPC-TM-650: Handbuch für Testverfahren (Tg, Td, Dk/Df, Schälfestigkeit)
IPC-6012: Qualifikation und Leistungsspezifikation für starre Leiterplatten

Häufig gestellte Fragen

Wozu dient kupferkaschiertes Basismaterial (CCL)?

Kupferkaschiertes Basismaterial (CCL) bildet das Ausgangsmaterial für Leiterplatten. Der Leiterplattenhersteller strukturiert das Kupfer zu Leiterbahnen und Pads, verpresst die Kerne anschließend mit Prepregs und baut so Multilayer-Leiterplatten auf. Nahezu jede starre und flexible Leiterplatte basiert auf kupferkaschiertem Basismaterial.

Ist FR-4 dasselbe wie kupferkaschiertes Basismaterial?

FR-4 bezeichnet eine Materialklasse: glasfaserverstärktes, flammhemmendes Epoxidharz. FR-4-CCL ist der am weitesten verbreitete Basismaterialtyp. Andere kupferkaschierte Laminate nutzen alternative Harze und Verstärkungsmaterialien wie PTFE, Kohlenwasserstoff-Keramik, Polyimid oder Metallkerne.

Was unterscheidet einen Kern (Core) von einem Prepreg?

Ein Kern ist ein vollständig ausgehärtetes Laminat, das beidseitig mit Kupferfolie kaschiert ist. Prepreg besteht aus Glasgewebe mit teilgehärtetem Harz ohne Kupfer. Beim Verpressen des Multilayers verflüssigt sich das Prepreg-Harz, härtet aus und verbindet die Kerne sowie die Außenlagen zu einem festen Lagenverbund.

Welche Eigenschaften sind bei der Laminatauswahl entscheidend?

Prüfen Sie vorrangig Tg und Td für die thermische Belastbarkeit, Dk und Df bei der jeweiligen Betriebsfrequenz für die Signalintegrität, den CTE für die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungen sowie den CTI für Hochvoltanwendungen. Vergleichen Sie Kennwerte ausschließlich bei identischen Prüfverfahren und Messfrequenzen.

Darf der Leiterplattenhersteller ein alternatives Laminat einsetzen?

Nur wenn die Fertigungsunterlagen dies explizit erlauben. Wurde ein Fabrikat mit dem Zusatz „oder Äquivalent“ definiert, muss das Ersatzmaterial alle funktionskritischen Parameter des Designs mindestens erreichen oder übertreffen. Jede Materialänderung erfordert eine dokumentierte Freigabe. Bei impedanzkontrollierten Leiterplatten muss der Lagenaufbau für das Alternativmaterial meist neu berechnet werden.

Wie dick ist die Kupferschicht auf einem Basismaterial?

Kupfer wird üblicherweise über das Flächengewicht spezifiziert. Der Stackup-Katalog von APT führt 0.5 oz Basiskupfer mit 0.0175 mm und 1 oz mit 0.035 mm; für Leistungselektronik stehen höhere Kupferstärken zur Verfügung. Außenlagen werden im Fertigungsprozess meist ausgehend von einer dünneren Basiskupferfolie galvanisch auf die Enddicke aufgewickelt.

Checkliste für CCL- und Laminat-Anfragen

Nutzen Sie diese Checkliste für Preisanfragen zu CCL oder Multilayer-Laminaten bei Materiallieferanten oder Leiterplattenherstellern.

Basismaterial: FR-4, High-Tg, Rogers, Megtron, PTFE oder Hybrid (Güteklasse und Produktlinie angeben)
Tg-Wert: 135 / 150 / 170 / 180+ °C (spezifizieren)
Td-Wert: ≥320 °C bevorzugt (Mindestwert angeben, falls abweichend)
Dk und Df bei Betriebsfrequenz: Wert und Testfrequenz angeben (1 GHz / 10 GHz / sonstige)
CTI (Comparative Tracking Index): PLC 0–5 oder Nennspannung
Kupferdicke Innenlage: HOZ, H1, H2 oder H3 (spezifizieren)
Kupferdicke Außenlage nach Galvanik: oz oder µm angeben
Prepreg-Produktnummer oder Typenbezeichnung (angeben)
Glasgewebetyp: 106 / 1080 / 2116 / 7628 oder andere
IPC-4101 Slash Sheet und UL94-Entflammbarkeitsklasse
RoHS- und REACH-Konformität erforderlich: J/N
Anforderungen an die Stackup-Symmetrie (Toleranz angeben, falls vorgegeben)

Das Laminat ist Teil des Designs

Kupferkaschiertes Basismaterial ist keine Massenware, die der Fertiger nach Belieben austauschen kann. Kennwerte wie Tg, Dk, Df, CTI und der Kupferfolientyp sind feste Designparameter – genau wie Leiterbahnbreite oder Lagenanzahl. Bestimmen Sie die Materialfamilie anhand der anspruchsvollsten Anforderung, spezifizieren Sie das konkrete Produkt oder das Eigenschaftsprofil in der Fertigungszeichnung und legen Sie vorab fest, welche Alternativen zulässig sind.