PCB-Core vs. Prepreg-Material: Was Designer wissen müssen

Manchmal erreichen mich Fragen von Designern, die mehr über die Auswahl und den Herstellungsprozess von Leiterplattenmaterialien erfahren möchten. Auch wenn ich kein Hersteller bin, gehört es zu den Aufgaben als Entwickler, etwas von den Materialien zu verstehen, die bei der Arbeit an einem neuen Projekt verwendet werden sollen. Eine dieser Fragen, die mir gestellt werden, bezieht sich auf die genauen Unterschiede zwischen PCB-Core- und Prepreg-Material. Manchmal werden die Begriffe als Synonym verwendet – ich gebe zu, auch von mir.

Ferner stellt sich die Frage, sobald der Unterschied zwischen Core und Prepreg geklärt ist, welches Material sollte man für seine Anwendung verwenden? Wie ändern sich die entscheidenden elektrischen Parameter während des Plattierens, Ätzens und Härtens? Je mehr man sich als Konstrukteur mit der Arbeit bei GHz-Frequenzen vertraut machen muss, desto wichtiger werden diese Aspekte für die richtige Dimensionierung der Leiterbahnen auf derartigen Substraten und damit die Vermeidung komplexer Signalintegritätsprobleme.

Der Unterschied zwischen PCB-Core und Prepreg

Leiterplattenkerne und Prepreg-Laminate ähneln sich, sind aber in mancher Hinsicht recht unterschiedlich. Der Kern (einer Leiterplatte) besteht im Grunde aus einem oder mehreren Prepreg-Laminaten, die gepresst, getrocknet und unter Hitzeeinwirkung ausgehärtet werden. Daraufhin wird auf jeder Seite des Kerns eine Kupferschicht aufgebracht. Prepreg-Material wird mit einem Harz imprägniert, wobei das Harz zwar verfestigt, aber nicht ausgehärtet wird. Die meisten Hersteller beschreiben Prepreg auch als den Klebstoff, der die Kernmaterialien zusammenhält. Stapelt man je einen Kern auf ein Prepreg-Laminat übereinander und setzt es Wärme aus, so beginnt das Harz, sich mit den angrenzenden Schichten zu verbinden. Das langsam erstarrende Harz härtet durch Bildung von Vernetzungen aus, und die daraus resultierenden Materialeigenschaften beginnen sich denen der Kernschichten anzunähern.

Das Harzmaterial umhüllt ein Glasfasergewebe, und dessen Herstellungsverfahren ist, dem zur Herstellung von Garnen verwendeten, sehr ähnlich. Das Gewebe kann ziemlich engmaschig (z. B. 7628 Prepreg) oder lose (z. B. 1080 Prepreg) sein, was bei der Herstellung von der Webmaschine kontrolliert wird. Eventuell verbleibende Zwischenräume und die Gesamthomogenität des Garns bestimmen die elektromagnetischen Eigenschaften, die wiederum verantwortlich sind für Streuung, Verluste und jegliche Faserverflechtungseffekte, die später auf die Signale der Leiterplatte wirken.

FR4-PCB-Kern/Prepreg-Gewebe und ihre wichtigen Materialeigenschaften

PCB-Kern- und Prepreg-Materialien können unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten haben, abhängig vom Harzgehalt, der Art des Harzes und des Glasfasergewebes. Dies führt beim Design von Leiterplatten, die eine sehr genaue Impedanzanpassung erfordern, zu potenziellen Problemen, da die effektive Dielektrizitätskonstante, die ein Signal auf einer Leiterbahn vorfindet, von den Dielektrizitätskonstanten der umgebenden Materialien abhängt. Nicht alle Prepreg- und Kernmaterialien sind miteinander kompatibel, und Kern/Prepreg-Stapel mit sehr unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten erschweren die genaue Vorhersage der wirksamen Dielektrizitätskonstanten und Verluste einer Verbindung (siehe unten).

Bei Hochspannungsanwendungen sind Kriech- und Leckströme immer ein Problem – egal welches PCB-Kern- oder Prepreg-Material verwendet wird. Die Elektromigration von Kupfer und das damit verbundene anschließende Wachstum von leitfähigen Filamenten ist ein Grund für die Kriechspezifikationen von FR4-Materialien. Dieses Problem sowie der Wunsch, die Glasübergangs- und Zersetzungstemperaturen zu erhöhen, führten zu einer Umstellung auf Dicyandiamid-freie Harze (none-DICY) in FR4-Kernen und -Laminaten. Phenolharze weisen im Vergleich zu DICY-Harzen höhere Zersetzungs- und Glasübergangstemperaturen auf und bieten nach der vollständigen Aushärtung einen höheren Isolationswiderstand.

Effektive Dielektrizitätskonstante für Kern- und Prepreg-Materialien

Angesichts der offensichtlichen strukturellen Unterschiede bei Kern- und Prepreg-Materialien ist es aus Sicht der Signalintegrität wichtig, einen genauen Wert für die Dielektrizitätskonstante und den Verlustfaktor zu bestimmen. Bei niedriger Anstiegszeit der Signale können Sie sich wahrscheinlich damit begnügen, einen Wert aus einem Datenblatt zu entnehmen. Sobald die Grenzfrequenzen oder die Analogsignale sich dem GHz-Bereich annähern, müssen Sie mit den in Datenblättern angegebenen Werten vorsichtig sein, insbesondere bei der Modellierung des Verbindungsverhaltens und dem Einsatz von impedanzkontrolliertem Routing.

Das Problem mit den Werten aus Datenblättern ist, dass die tatsächlich gemessene Dielektrizitätskonstante von der Prüfmethode, der Leiterbahngeometrie, spezifischen Frequenzen (insbesondere im GHz-Bereich), dem Harzgehalt und sogar der Materialdicke abhängt. John Coonrod hat dieses Problem kürzlich in einem Podcast ausführlich behandelt. Das Gewebemuster von PCB-Kern/Prepreg-Materialien macht es sehr inhomogen und anisotropisch, was bedeutet, dass die wichtigen Materialeigenschaften im Material und abhängig von der jeweiligen Richtung variieren. Aus diesem Grund haben wir Faserverflechtungseffekte wie Schräglage und Faserhohlraumresonanzen. 

Sie denken vielleicht, warum die Dicke eines Laminats bei der Charakterisierung von Materialeigenschaften eine Rolle spielen sollte? Der Grund dafür ist die effektive Dielektrizitätskonstante, welche die wichtigste das Signalverhalten charakterisierende Parameter ist (denken Sie daran, dass dies eine komplexe Größe ist!). Diese hängt wiederum von den Leiterbahnabmessungen und der Schichtdicke Ihres Materials ab. Werfen Sie dazu einen Blick auf diese Artikel über Mikrostreifen- und symmetrische Streifenleiter-Übertragungsleitungen. 

Ein weiterer zu berücksichtigender Parameter ist die Kupferrauheit auf einem bestimmten Laminat. Die beiden Artikel, die ich oben verlinkt habe, liefern effektive Dielektrizitätskonstanten für Mikrostreifen- und Streifenleiter-Übertragungsleitungsgeometrien, wobei die Kupferrauhigkeit vernachlässigt wird. Es gibt jedoch eine einfache lineare Approximation, die Sie zur Bestimmung der Kupferrauhigkeit verwenden können:

Effektive Dielektrizitätskonstante mit Kupferrauhigkeit

In dieser Gleichung ist H die Dicke des Dielektrikums und zRMS die Standardabweichung der Rauheit. Dieser Wert sollte vom Laminathersteller angegeben werden. Sollten Sie ein Hochgeschwindigkeitsdesign erstellen und eine impedanzkontrollierte Leiterbahnführung benötigen, dann sollte Ihr Hersteller in der Lage sein, diesen Wert zur Verfügung zu stellen. Für die weitere Modellierung müssen Sie das richtige Modell zur Beschreibung der Rauheit verwenden; weitere Informationen hierzu finden Sie in diesem Artikel im Signal Integrity Journal.

Wenn Sie bei extrem hohen Geschwindigkeiten/hohen Frequenzen mit niedrigen Signalpegeln arbeiten und eine hochpräzise Verbindungscharakteristik benötigen, dann ist es am besten, anhand eines Test-Coupon die effektive Dielektrizitätskonstante mittels Standardmessung zu bestimmen. Ihre Prüfmethode sollte eine Geometrie verwenden, die Ihrer beabsichtigten Verbindungsgeometrie nahekommt. Dies erfordert einige Vorarbeiten, aber genaue Tests und Messungen könnten Ihnen am Ende unnötige Prototyping-Läufe ersparen.

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