Confronto fra l'utilizzo di Prepreg rispetto al Core, per il routing ad impedenza controllata

Zachariah Peterson
|  Created: December 29, 2019  |  Updated: March 10, 2021

IC on prepreg vs. core materials

Quando ho iniziato ad apprendere i punti più distinti della progettazione PCB, la mia impressione era che quello Core fosse un tipo di materiale speciale. Questo non è ovviamente il caso. I progettisti hanno una certa libertà nello scegliere la configurazione Core/Prepreg più adatta alle loro esigenze. Quando parliamo di routing ad impedenza controllata, specialmente alle alte frequenze, l'uso di layer Core o Prepreg come dielettrico di separazione, diventa una questione importante.

Quindi, quale layer è meglio utilizzare per il routing ad impedenza controllata? Un maggiore controllo sull'impedenza della scheda richiede una maggiore uniformità della costante dielettrica prima di considerare gli effetti della trama della fibra. Richiede inoltre una maggiore coerenza e prevedibilità nella costante dielettrica per una scheda prodotta dopo la fabbricazione. Questo è il momento dove devi prestare particolare attenzione rispetto all'acquisto dei corretti materiali per il tuo layer stack, così da determinare il posizionamento dei layer Prepreg rispetto a quelli Core.

Impedenza controllata sul Prepreg rispetto al Core

Quello Core è un layer di fibra di vetro spesso e rigido, che viene tipicamente posizionato al centro di schede con un numero minimo di layer. Da quello che ho osservato, l'uso della parola "Core" fa sì che alcuni nuovi progettisti interpretino in maniera letterale il termine, il che significa che qualsiasi progetto deve avere un layer Core al centro della scheda, con altri layer creati attorno ad esso. In seguito ho imparato che, soprattutto con l'aumentare del numero dei layer, questo non è un requisito tassativo. In realtà, hai un'alternanza di layer fra Core e Prepreg, dove il layer centrale non è sempre quello Core. La cosa importante è che il layer stack sia simmetrico, indipendentemente dal posizionamento dei layer Core.

Il materiale Prepreg prodotto non è completamente polimerizzato e forma il collante fra i layer Core. In un recente progetto, su un pannello di spessore standard di 1,57 mm, abbiamo utilizzato un Core Rogers sui layer esterni e un Prepreg/Core FR4 nei layer interni. Questo tipo di scheda ibrida multistrato è comune (ad esempio, i laminati PTFE sugli FR4). In questo caso il costo è un fattore importante, in quanto materiali diversi comportano costi differenti, pertanto i laminati a bassa perdita sono generalmente destinati ai layer che trasportano segnali ad alta velocità o alta frequenza.

Generalmente, un layer Core è più riproducibile rispetto ad uno Prepreg, sia in termini di costante dielettrica che di spessore, poiché il materiale Core è già legato al rame. Al contrario, il produttore del Prepreg può specificare solamente un intervallo di costante dielettrica per la materia prima. Non ha bisogno di specificare la costante dielettrica a seguito dell'assemblaggio, il che determinerà la costante dielettrica effettiva visualizzata dai segnali su un'interconnessione. Alcuni speciali laminati Prepreg a bassa perdita possono avere variazioni molto ampie nelle costanti dielettriche (oltre il 50%).

Pressing and cutting for prepreg vs core materials

Singolo o doppio strato Core?

Alcuni materiali Core, con diversi stili di trama di vetro, avranno costanti dielettriche significativamente differenti, il che dipende inoltre dal fatto che un particolare materiale Core sia a singolo o doppio strato. 106 e 106/1080 sono esempi perfetti. Le costanti dielettriche per questi materiali possono variare di circa il 10%, il che richiede la regolazione della larghezza di traccia se utilizzi un progetto esistente e passi da uno strato Core singolo ad uno doppio.

Oltre al numero di strati, il Prepreg e il Core che hanno lo stesso stile di trama e porosità, avranno diverse costanti dielettriche, oltre a richiedere diversi stili di trama di vetro per i diversi spessori del laminato. Questo è il motivo per cui i materiali sono normalmente classificati in termini di intervallo Dk desiderato. Molti produttori menzioneranno semplicemente nelle schede prodotto lo spessore, lo stile della trama e il numero di strati che potrai utilizzare per i Core e i Prepreg. Il contenuto di resina e gli spessori variabili di questi materiali produrranno diverse costanti dielettriche.

Come lavorare con il tuo produttore

Progettare uno stackup in modo tale che i layer abbiano spessori standardizzati è probabilmente l'aspetto meno discusso legato alla Progettazione per la Produzione (DFM), ma probabilmente è il più importante. I tuoi strumenti EDA probabilmente ti permetteranno di inserire il valore desiderato per lo spessore del tuo layer. Quando comunichi i requisiti di controllo dell'impedenza sui layer Prepreg, in generale specifichi la larghezza della traccia e il peso del rame (questo può essere facilmente convertito in uno spessore di traccia), il tuo valore d'impedenza richiesto, oltre alla costante dielettrica e allo spessore del laminato desiderati.

Se hai già progettato la tua scheda in base ai materiali standardizzati disponibili dal tuo produttore, non sono necessarie altre modifiche. In caso contrario, il tuo produttore dovrà selezionare lo spessore di Prepreg più adatto alle tue specifiche esigenze. Tuttavia, tieni presente che non tutti i produttori seguiranno i valori di spessore elencati in una scheda tecnica del materiale e pianificheranno i propri spessori di pressatura.

Prepreg vs core dielectric for impedance control

Un livello più elevato di ripetibilità dielettrica e standardizzazione dei layer Core significa avere una progettazione dell'impedenza controllata più affidabile (cioè, piccole variazioni nella costante dielettrica in tutta la scheda) quando il dielettrico viene utilizzato come dielettrico. Potresti inoltre utilizzare un Core e un Prepreg con lo stesso spessore per stripline simmetriche. Indipendentemente dalla disposizione dei layer Prepreg e Core, il tuo layer stack deve essere disposto simmetricamente, per evitare deformazioni della scheda dopo i processi di pressatura e raffreddamento durante la produzione. È inoltre pratica comune mescolare materiali diversi, come ad esempio un laminato ad alta velocità con un Core FR4. Tuttavia, non tutti i materiali dovrebbero (o possono) essere combinati, poiché ciò dipende dal tipo di resina e dai coefficienti di dilatazione termica (CTE) di ciascun materiale. La migliore scheda utilizzerà materiali Core e Prepreg, con valori CTE che corrispondono maggiormente al valore CTE per il rame.

La selezione e il routing dei materiali Prepreg rispetto a quelli Core sono più semplici quando utilizzi un software di progettazione PCB con uno stackup integrato e uno strumento per il calcolo dell'impedenza. Il layer stack manager di Altium Designer® è uno strumento ideale per la progettazione della tua scheda con impedenza controllata e per una perfetta configurazione del tuo layer stack. Avrai inoltre accesso ad una vasta libreria di materiali, contenente importanti dati su un'ampia gamma di materiali standard. Potrai inoltre specificare le diverse proprietà del materiale riferite agli speciali materiali del substrato.

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Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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