What is Halogen Free PCB？

von Topfast | Donnerstag Juni 05 2025

What is a halogen-free PCB？

Halogenfreie Leiterplatten sind gedruckte Schaltungen, die keine Halogene verwenden oder einen sehr geringen Halogengehalt in der Materialzusammensetzung und im Herstellungsverfahren aufweisen. Halogene sind Elemente der Gruppe VIIA des Periodensystems und umfassen Fluor (F), Chlor (Cl), Brom (Br), Jod (I) und Astatin (At). Chlor und Brom werden bei der herkömmlichen PCB-Herstellung häufig als Flammschutzmittel verwendet, doch setzen diese Stoffe bei der Verbrennung oder bei hohen Temperaturen giftige Gase frei, die für die menschliche Gesundheit und die Umwelt schädlich sind.

In der heutigen, zunehmend umweltbewussten Elektronikindustrie sind halogenfreie Leiterplatten (halogenfreie gedruckte Schaltplatten) haben sich zu einem Trend entwickelt, und immer mehr Leiterplattenhersteller und Elektronikhändler wenden sich dieser umweltfreundlicheren Leiterplattenlösung zu.

Internationale halogenfreie Normen und Spezifikationen

Gemäß der Norm JPCA-ES-01-2003 (Japan Circuit Association Standard) und den Definitionen internationaler Organisationen wie der IEC (International Electrotechnical Commission):

Der Chlorgehalt (Cl) muss unter 900 ppm (0,09 Gewichtsprozent) liegen.
Der Bromgehalt (Br) muss unter 900 ppm (0,09 Gewichtsprozent) liegen.
Der Gesamtgehalt an Halogenen (Cl + Br) darf 1500 ppm (0,15 Gewichtsprozent) nicht überschreiten.

Die Rolle der Halogene in PCBs

Traditionelle Anwendungen von Halogenen in PCBs

Bei der traditionellen Leiterplattenherstellung spielen Halogene (vor allem Brom und Chlor) eine entscheidende Rolle:

Schwerentflammbarkeit: Bromierte Flammschutzmittel (BFR) wie TBBPA (Tetrabrombisphenol A) verbessern die Flammbeständigkeit von PCBs wirksam und erfüllen Brandschutznormen wie UL94 V-0.
Stabilität des Materials: Halogenierte Verbindungen verbessern die thermische Stabilität und die mechanischen Eigenschaften von Leiterplattensubstraten.
Prozessunterstützung: Chlorverbindungen werden bei der Reinigung von Halbleitern und bestimmten chemischen Behandlungen bei der Herstellung von Leiterplatten verwendet.

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Mögliche Risiken von halogenierten Materialien

Trotz ihrer bedeutenden Funktionalität stellen halogenierte Materialien ein ernsthaftes Problem dar:

Toxizitätsrisiken: Bei der Verbrennung werden hochgiftige Stoffe wie Dioxine und Furane freigesetzt, die krebserregend sind.
Umweltgefahren: Sie sind schwer abbaubar und können sich in Ökosystemen anreichern und die Nahrungskette beeinträchtigen.
Recycling-Herausforderungen: Die Entsorgung von halogenhaltigen PCB ist komplex und kann zu Sekundärverschmutzung führen.
Auswirkungen auf die Gesundheit: Langfristige Exposition kann Atemwegserkrankungen, Hautallergien und andere Gesundheitsprobleme verursachen.

Diese Risiken treiben die weltweite Elektronikindustrie dazu, schrittweise auf halogenfreie Alternativen umzusteigen.

Vorteile von halogenfreien PCBs

Bei halogenfreien Leiterplatten geht es nicht nur um die Entfernung von Halogenen, sondern um eine Leistungsoptimierung durch innovative Materialwissenschaft. Hier sind ihre wichtigsten Merkmale:

Elektrische Leistung

Höhere Isolierung: Halogenfreie Materialien haben in der Regel eine niedrigere Dielektrizitätskonstante (Dk) und einen geringeren Verlustfaktor (Df), wodurch sie sich für Hochfrequenzanwendungen eignen.
Stabile Impedanz: Eine gleichmäßigere Materialstruktur trägt zu stabilen Signalübertragungseigenschaften bei.
Niedriger Ableitstrom: Geringeres Risiko der Ionenwanderung verbessert die langfristige Zuverlässigkeit.

Thermische Leistung

Höhere Glasübergangstemperatur (Tg): Many halogen-free materials have a Tg above 170°C.
Niedrigerer Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE): Z-axis CTE is usually controlled below 50 ppm/°C, reducing thermal stress.
Bessere Hitzebeständigkeit: Can withstand high-temperature processes like lead-free soldering (above 260°C).

Mechanische Leistung

Ausgezeichnete Schälfestigkeit: Starke Haftung zwischen Kupferfolie und Substrat, typischerweise über 1,3 kN/m.
Gute Formbeständigkeit: Geringe Feuchtigkeitsaufnahme (in der Regel <0,3%), minimiert die Verformung bei der Verarbeitung.
Hervorragende Bearbeitbarkeit von Bohrungen: Spezialisierte halogenfreie Materialien optimieren das Bohrprozessfenster.

Merkmale der Umwelt

Ungiftige Zersetzung: Setzt bei der Verbrennung keine halogenierten giftigen Gase frei.
Einfaches Recycling: Entspricht den Anforderungen der WEEE-Richtlinie und erleichtert die Abfallentsorgung.
Grüne Zertifizierungen: Erfüllt internationale Umweltvorschriften wie RoHS und REACH.

Halogenfreie PCB-Herstellungsverfahren und Materialien

Primäre alternative Materialsysteme

Um halogenierte Flammschutzmittel zu ersetzen, werden bei halogenfreien PCB hauptsächlich die folgenden technologischen Ansätze verfolgt:

Synergistisches System Phosphor-Stickstoff:

Phosphorverbindungen bilden beim Erhitzen eine verkohlte Schicht, die den Sauerstoff isoliert.
Stickstoffverbindungen zersetzen sich und erzeugen nicht brennbare Gase, die brennbare Stoffe verdünnen.
Beide wirken synergetisch zusammen, um einen effizienten Flammschutz zu erreichen.

Metallhydroxide:

Beispiele hierfür sind Aluminiumhydroxid und Magnesiumhydroxid.
Sie zersetzen sich endotherm und setzen Wasserdampf frei.
Sie sind umweltfreundlich, erfordern aber eine hohe Beladung (50-60%).

Flammschutzmittel auf Siliziumbasis:

Bilden eine Silizium-Kohlenstoff-Schutzschicht.
Minimale Auswirkungen auf die elektrische Leistung.
Relativ höhere Kosten.

Typische halogenfreie Substrattypen

Material Typ	Merkmale	Typische Anwendungen
Halogenfreies FR-4	Kostengünstige, ausgewogene Leistung	Unterhaltungselektronik, Automobilelektronik
Hoch-Tg Halogen-frei	Tg >170°C, heat-resistant	Stromversorgungsanlagen, LED-Beleuchtung
Hochfrequenz Halogen-frei	Niedriges Dk/Df, Signalintegrität	5G-Kommunikation, Radarsysteme
Flexibel und Halogen-frei	Biegsam, leicht	Wearable Devices, medizinische Elektronik
Hohe Wärmeleitfähigkeit Halogenfrei	Wärmeleitfähigkeit >1 W/mK	Leistungsmodule, Elektrofahrzeuge

Herstellungsprozess

Die Produktion von halogenfreien Leiterplatten erfordert die folgenden Prozessanpassungen:

Lamination Prozess: Aufgrund der unterschiedlichen Aushärtungseigenschaften von halogenfreien Harzen müssen die Temperaturprofile möglicherweise angepasst werden.
Parameter für das Bohren: Optimieren Sie die Bohrgeschwindigkeit/Vorschubgeschwindigkeit, um das Verschmieren des Harzes zu reduzieren.
OberflächenbehandlungWählen Sie umweltfreundliche Oberflächenbehandlungen wie Chemisch Silber oder OSP.
Lötmaske ProzessVerwenden Sie halogenfreie Lötstopplacke, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden.
QualitätskontrolleVerschärfte Prüfung des Halogengehalts, um die Einhaltung der Normen zu gewährleisten.

Anwendungsbereiche

Vorteile gegenüber herkömmlichen PCBs

Umweltschonend: Nachhaltiger über den gesamten Lebenszyklus, von der Produktion bis zur Entsorgung.
Gesundheit und Sicherheit: Schützt Arbeitnehmer und Endverbraucher vor der Exposition gegenüber toxischen Stoffen.
Leistung bei hohen Temperaturen: Besser geeignet für bleifreies Löten und Anwendungen mit hohem Stromverbrauch.
Signalqualität: Geringerer Signalverlust bei Hochfrequenzanwendungen.
Markenwert: Spiegelt die soziale Verantwortung des Unternehmens und sein Engagement für die Umwelt wider.

Primäre Anwendungsbereiche

Unterhaltungselektronik:

Smartphones/Tablets
Laptops/Fernseher
Schalttafeln für Haushaltsgeräte

Kfz-Elektronik:

Kontrollsysteme für Elektrofahrzeuge
ADAS (Erweiterte Fahrerassistenzsysteme)
Fahrzeuginterne Infotainment-Systeme

Medizinische Geräte:

Implantierbare elektronische Geräte
Ausrüstung für bildgebende Diagnostik
Systeme zur Patientenüberwachung

Industrielle Steuerung:

Ausrüstung für die industrielle Automatisierung
Leistungssteuerungssysteme
Robotik-Steuerungssysteme

Kommunikationsausrüstung:

Ausrüstung für 5G-Basisstationen
Ausrüstung für Glasfasernetze
Satellitengestützte Kommunikationssysteme

Luft- und Raumfahrt:

Avionik-Systeme
Satellitennutzlasten
UAV-(Drohnen-)Steuerungssysteme

Markttrends und Herausforderungen für halogenfreie PCBs

Entwicklungstrends in der Industrie

Regulatorische Triebkräfte: Zunehmend strengere weltweite Beschränkungen für Halogene.
Antwort der Lieferkette: Die großen Materiallieferanten führen halogenfreie Lösungen ein.
Kostenreduzierung: Durch Größenvorteile ist der Preisaufschlag für halogenfreie Leiterplatten von 30 % auf 10-15 % gesunken.
Leistungsverbesserungen: Halogenfreie Materialien der neuen Generation erreichen oder übertreffen jetzt die Leistung herkömmlicher Materialien.
Zertifizierungssysteme: Organisationen wie UL und IPC haben spezielle Normen für die Zertifizierung von halogenfreien Produkten entwickelt.

Aktuelle technische Herausforderungen

Materialkosten: Einige leistungsstarke halogenfreie Materialien sind nach wie vor teuer.
Prozessanpassung: Vorhandene Produktionsanlagen und Parameter müssen möglicherweise angepasst werden.
Management der LieferketteSicherstellung, dass alle Rohstoffe und Verfahren wirklich halogenfrei sind.
Verifizierung der VerlässlichkeitLangfristige Zuverlässigkeitsdaten werden noch gesammelt.
Normung: Die weltweiten Normen für halogenfreie Produkte sind noch nicht vollständig vereinheitlicht.

Zukünftige Entwicklungsrichtungen

Halogenfreie Nanokomposit-Materialien: Verbessern Sie die umfassende Leistung.
Umweltverträgliche Materialien auf Biobasis: Forschung zu vollständig biologisch abbaubaren PCBs.
Anwendungen für höhere Frequenzen: Anpassung an die Anforderungen der 6G- und Terahertz-Technologie.
Integration eingebetteter Komponenten: Kombinieren Sie halogenfreie Materialien mit der Technologie der Komponenteneinbettung.
AI-unterstütztes Design: Optimieren Sie das Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten für halogenfreie PCBs.

Schlussfolgerung

Die halogenfreie Leiterplattentechnologie steht für die Entwicklung von Leiterplatten in eine umweltfreundlichere und sicherere Richtung.Mit der rasanten Entwicklung von 5G, dem Internet der Dinge, Fahrzeugen mit neuer Energie und anderen neuen Technologien wird die Nachfrage nach leistungsstarken, umweltfreundlichen Leiterplatten weiter steigen. Die halogenfreie Leiterplattentechnologie wird in diesem Prozess eine immer wichtigere Rolle spielen, und die halogenfreie Leiterplatte wird allmählich zum Mainstream-Produkt. Die halogenfreie Leiterplatte wird allmählich zum Standard und treibt die gesamte Elektronikindustrie in Richtung einer grüneren, nachhaltigeren Zukunft.