Verwendung von Prepreg vs. Kern für Routing mit kontrollierter Impedanz

 IC auf Prepreg- vs. Kernmaterial

Als ich anfing, die Feinheiten des PCB-Designs zu erlernen, hatte ich den Eindruck, dass der Kern aus einem ganz speziellen Material bestand. Das ist jedoch nicht unbedingt der Fall und Designer haben eine gewisse Freiheit in der Auswahl der Kern-/Prepreg-Anordnung, die für ihren Bedarf am besten geeignet ist. Wenn es um das Routing mit kontrollierter Impedanz geht, insbesondere bei hohen Frequenzen, wird die Verwendung von Kern- oder Prepreg-Lagen als trennendes Dielektrikum zu einer entscheidenden Frage.

Welche Lage eignet sich am besten für das Routing mit kontrollierter Impedanz? Eine bessere Kontrolle über die Impedanz der Leiterplatte erfordert eine größere Gleichmäßigkeit der dielektrischen Konstante, bevor die Auswirkungen des Glasfasergewebes berücksichtigt werden können. Sie erfordert auch eine größere Konsistenz und Vorhersagbarkeit in der dielektrischen Konstante einer nach der Herstellung produzierten Leiterplatte. Deshalb sollten Sie sorgfältig nach den richtigen Materialien für Ihren Lagenaufbau suchen, wenn Sie die Positionen der Prepreg- vs. Kernlagen bestimmen.

Kontrollierte Impedanz über Prepreg vs. Kern

Der Kern ist die dicke, starre Glasfaserschicht, die normalerweise in der Mitte von Leiterplatten mit geringer Lagenanzahl platziert wird. Wie ich festgestellt habe, veranlasst die Verwendung des Begriffs „Kern“ einige neue Designer dazu, den Begriff wörtlich zu nehmen, d.  h. jedes Design muss einen Kern in der Mitte der Leiterplatte haben, um den herum weitere Lagen aufgebaut werden. Später erfuhr ich, dass dies keine strikte Anforderung ist, vor allem, wenn die Anzahl der Lagen zunimmt. Tatsächlich gibt es abwechselnd Lagen von Kern und Prepreg, und die zentrale Lage ist nicht immer die Kernschicht. Der entscheidende Punkt ist, dass der Lagenaufbau symmetrisch ist, unabhängig davon, wo die Kernlagen platziert werden.

Das Prepreg-Material wird nicht vollständig ausgehärtet hergestellt und bildet den Leim zwischen den Kernlagen. In einem kürzlich durchgeführten Projekt über eine Leiterplatte mit einer Standarddicke von 1,57 mm verendeten wir einen Rogers-Kern auf den Außenlagen und FR4-Prepreg/Kern in den Innenlagen. Diese Art von Hybrid-Mehrlagenplatte ist üblich (d. h. PTFE-Laminate auf FR4). Die Kosten sind hier ein Faktor, da unterschiedliche Materialien unterschiedliche Kosten verursachen, so dass verlustarme Laminate im Allgemeinen für Lagen reserviert sind, die High-Speed-/Hochfrequenzsignale übertragen.

Im Allgemeinen ist die Kernlage sowohl hinsichtlich der dielektrischen Konstante als auch der Dicke besser reproduzierbar als ein Prepreg, da das Kernmaterial bereits mit Kupfer verbunden ist. Im Gegensatz dazu kann der Prepreg-Hersteller nur einen Dielektrizitätskonstantenbereich für das Rohmaterial angeben. Er gibt nicht die dielektrische Konstante nach der Montage an, die dann die effektive dielektrische Konstante bestimmt, welche von den Signalen auf einer Verbindung erkennt wird. Einige spezielle verlustarme Prepreg-Laminate können sehr große Schwankungen in den dielektrischen Konstanten aufweisen (über 50 %).

Ein- oder zweilagiger Kern?

Gewisse Kernmaterialien mit unterschiedlichen Glasgewebestilen haben deutlich unterschiedliche dielektrische Konstanten, was auch davon abhängt, ob ein bestimmtes Kernmaterial einlagig oder zweilagig ist. 106- und 106/1080-Kerne sind perfekte Beispiele. Die dielektrischen Konstanten für diese Materialien können um etwa 10 % variieren, was eine Anpassung der Leiterbahnbreiten erfordert, wenn Sie ein vorhandenes Design verwenden und zwischen ein- und zweilagigen Kernen wechseln.

Zusätzlich zu der Anzahl der Lagen werden Prepreg und Kern, die die gleiche Gewebeart und Porosität aufweisen, unterschiedliche dielektrische Konstanten haben, und unterschiedliche Laminatdicken erfordern unterschiedliche Glasgewebearten. Aus diesem Grund werden die Materialien normalerweise nach dem gewünschten Dk-Bereich klassifiziert, und viele Hersteller geben einfach die Dicke, die Gewebeart und die Anzahl der Lagen an, die Sie für Kern und Prepreg in den Produktblättern verwenden können. Der unterschiedliche Harzgehalt und die unterschiedlichen Dicken dieser Materialien führen zu unterschiedlichen dielektrischen Konstanten.

Zusammenarbeit mit dem Hersteller

Den Lagenaufbau so zu gestalten, dass die Lagen standardisierte Dicken aufweisen, ist wahrscheinlich der am wenigsten diskutierte und dennoch wichtigste Aspekt des DFM. Mit Ihren EDA-Werkzeugen können Sie wahrscheinlich jeden gewünschten Wert für die Dicke der Lagen eingeben. Wenn Sie die Anforderungen an die Impedanzkontrolle von Prepreg-Lagen mitteilen, geben Sie in der Regel die Leiterbahnbreite und das Kupfergewicht (dies lässt sich leicht in eine Leiterbahndicke umrechnen), den gewünschten Impedanzwert sowie die gewünschte dielektrische Konstante und Laminatdicke an.

Wenn Sie Ihre Leiterplatte bereits auf der Grundlage von standardisierten Materialien entworfen haben, die bei Ihrem Hersteller erhältlich sind, sind keine weiteren Anpassungen erforderlich. Andernfalls muss Ihr Hersteller die nächstliegende Prepreg-Dicke für Ihre speziellen Anforderungen auswählen. Denken Sie jedoch daran, dass nicht alle Hersteller die auf einem Materialdatenblatt aufgeführten Werte der Dicke einhalten sondern ihre eigenen Einpressdicken planen.

Prepreg- vs. Kerndielektrikum zur Impedanzkontrolle

Das höhere Niveau der dielektrischen Wiederholbarkeit und Standardisierung der Kernlagen bedeutet, dass ein Design der kontrollierten Impedanz besser vorhersagbar ist (d. h. kleinere Schwankungen der dielektrischen Konstante über die gesamte Leiterplatte), wenn das Dielektrikum als Dielektrikum verwendet wird. Sie könnten auch einen Kern und ein Prepreg mit derselben Dicke für symmetrische Streifenleitungen verwenden. Unabhängig davon, wie Sie Prepreg- und Kernlagen anordnen, sollte Ihr Lagenaufbau symmetrisch angeordnet sein, um eine Verzerrung der Leiterplatte nach den Einpress- und Kühlschritten während der Herstellung zu vermeiden. Es ist auch gängige Praxis, verschiedene Materialien zu mischen, wie zum Beispiel High-Speed-Laminat mit FR4-Kern. Allerdings sollten (oder können) nicht alle Materialien kombiniert werden, da dies von der Art des Harzes und den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) der einzelnen Materialien abhängt. Die beste Leiterplatte verwendet Kern- und Prepreg-Materialien mit CTE-Werten, die dem CTE-Wert für Kupfer nahe kommen.

Die Auswahl und das Routing auf Prepreg- vs. Kernmaterialien ist am einfachsten, wenn Sie PCB-Designsoftware mit einem integrierten Lagenaufbau- und Impedanzrechner-Werkzeug verwenden. Der Lagenaufbau-Verwalter in Altium Designer^® ist ein ideales Werkzeug für das Design Ihrer Leiterplatte mit kontrollierter Impedanz und die Anordnung eines perfekten Lagenaufbaus. Außerdem haben Sie Zugang zu einer umfangreichen Materialbibliothek, die wichtige Daten zu einer breiten Palette an Standardmaterialien enthält. Sie können auch bestimmte Materialeigenschaften für exotische Substratmaterialien festlegen.

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