Uso de Prepreg vs. Core para el enrutamiento de impedancia controlada

Cuando empecé a familiarizarme con los detalles del diseño del PCB, mi impresión fue que el núcleo consistía en algún tipo de material especial. Pero esto no tiene por qué ser así en todo momento. De hecho, los diseñadores tenemos cierta libertad para elegir la combinación de núcleo y pre-impresión que mejor se adapte a nuestras necesidades. Sin embargo, si hablamos de enrutamiento de impedancia controlada, especialmente a altas frecuencias, el uso de capas de núcleo o de preimpregnado como dieléctrico de separación se convierte ya en una cuestión importante.

Entonces, ¿qué estrato es mejor utilizar para el enrutamiento de la impedancia controlada? Para empezar, hay que tener en cuenta que para tener mayor control sobre la impedancia de la placa, necesitaremos contar con una uniformidad mayor de la constante dieléctrica, antes de considerar los efectos de la malla de fibra , así como mayor consistencia y previsibilidad en la constante dieléctrica de una placa producida tras la fabricación. Aquí es donde debes escoger cuidadosamente los materiales correctos para tu apilado de capas a fin de determinar dónde ubicar las capas de preimpregnado y las capas del núcleo.

Impedancia controlada sobre Preimpregnado vs Núcleo

El núcleo es la capa gruesa y rígida de fibra de vidrio que se coloca típicamente en el centro de la placas y que aloja un reducido número de capas. Me he dado cuenta de que la palabra "núcleo" lleva a algunos nuevos diseñadores a tomar el término literalmente y a pensar que cualquier diseño debe tener un núcleo en el centro de la placa, con otras capas construidas a su alrededor. Pero más tarde descubrí que, en especial a medida que aumenta el número de capas, no se trata de un requisito riguroso. En realidad, se alternan las capas de núcleo y las de pre-impresión, y la capa central no siempre es una capa de núcleo. Lo importante es que el apilado de capas sea simétrico, independientemente de dónde se coloquen las capas de núcleo.

El material de preimpregnado no se produce totalmente curado; forma el pegamento entre las capas del núcleo. En un proyecto reciente sobre una placa de 1,57 mm de grosor estándar, utilizamos un núcleo de Rogers en las capas externas y un prepreg/core FR4 en las capas internas; este tipo de placa multicapa híbrida es común (es decir, laminados de PTFE en FR4). El coste es un factor importante en este caso, ya que los distintos materiales tienen costes diferentes, por lo que los laminados de baja pérdida se reservan generalmente para las capas que transportan señales de alta velocidad/alta frecuencia.

Generalmente, la capa del núcleo es más fácil de reproducir que un preimpregnado, tanto en términos de constante dieléctrica como de grosor, ya que el material del núcleo ya está unido con el cobre. En cambio, el fabricante de preimpregnados sólo puede especificar un rango de constante dieléctrica para la materia prima; no especifican la constante dieléctrica después del montaje, que determinará la constante dieléctrica efectiva vista por las señales en una interconexión. Algunos laminados de preimpregnados especiales de pérdida escasa pueden tener variaciones muy amplias en las constantes dieléctricas (más del 50%).

¿Núcleo de una o dos capas?

Algunos materiales del núcleo con diferentes estilos de la malla de vidrio pueden presentar constantes dieléctricas significativamente diferentes, lo que también depende de si un material del núcleo en particular es de una sola capa o de dos capas. Los núcleos 106 y 106/1080 son claros ejemplos de esto. Las constantes dieléctricas de estos materiales pueden variar aproximadamente un 10%, lo que requiere ajustar los anchos de las pistas si se toma un diseño existente y se cambia entre los núcleos de una o dos capas.

Además del número de capas, los preimpregnado y núcleos con el mismo estilo de malla y porosidad tendrán diferentes constantes dieléctricas, y los diferentes grosores de los laminados requerirán diferentes estilos de malla de vidrio. Por eso los materiales se clasifican normalmente en términos de la gama Dk deseada, y muchos fabricantes se limitarán a indicar el grosor, el estilo de malla y el número de capas que se pueden utilizar para el núcleo y el preimpregnado en las hojas de producto. La variación del contenido de resina y los grosores de estos materiales producirán diferentes constantes dieléctricas.

Cómo trabajar con tu fabricante

El diseño de un stackup tal que las capas tengan grosores estandarizados es probablemente el aspecto menos discutido del DFM, pero es probablemente el más importante. Tus herramientas EDA probablemente te permitirán introducir cualquier valor que quieras para el grosor de tu capa. Al comunicar los requisitos de control de impedancia en las capas de pre-impregnado, deberás especificar, por lo general, el ancho de la pista y el peso del cobre (esto se puede convertir fácilmente en un grosor de la pista), el valor de impedancia requerido, y la constante dieléctrica y grosor del laminado deseados.

Si ya has diseñado tu placa con materiales estandarizados según la disponibilidad de tu fabricante, no es necesario que hagas otras modificaciones. De lo contrario, tu fabricante tendrá que seleccionar el grosor de preimpregnado más cercano a tus necesidades particulares. Sin embargo, ten en cuenta que no todos los fabricantes seguirán los valores de grosor que figuran en una hoja de datos de materiales y planificarán sus propios grosores de pre-impresión.

El mayor nivel de repetibilidad dieléctrica y la normalización de las capas del núcleo hacen que el diseño de impedancia controlada sea más previsible (es decir, con menores variaciones de la constante dieléctrica en toda la placa) cuando el dieléctrico se utiliza como tal. También se podría utilizar un núcleo y un prepreg con el mismo grosor para las striplines simétricas. Independientemente de la forma en que se organicen las capas de preimpregnado y núcleo, la pila de capas debe estar dispuesta simétricamente para evitar la distorsión de la placa después de los pasos de prensado y enfriamiento durante la fabricación. También es una práctica común combinar diferentes materiales, como un laminado de alta velocidad con núcleo de FR4. Sin embargo, no todos los materiales deben (o pueden) combinarse, ya que esto depende del tipo de resina y de los coeficientes de expansión térmica (CTE) de cada material. La mejor placa es la que utiliza materiales con núcleo y preimpregnados con valores de CTE que se aproximan al valor de CTE del cobre.

La selección y el enrutamiento de los materiales de preimpregnado frente a los materiales del núcleo es más fácil cuando se utiliza un software de diseño de PCB con una herramienta integrada de cálculo de apilado e impedancia. El gestor del apilado de capas de Altium Designer^® es una herramienta ideal para diseñar tu placa con una impedancia controlada y organizar tu perfecto apilado de capas. También tendrás acceso a una extensa biblioteca de materiales que contiene datos importantes sobre una amplia gama de materiales estándar. Además, podrás especificar las distintas propiedades de los materiales de los sustratos exóticos.

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