インピーダンス配線をコントロールするためのプリプレグとコア使用の比較

Zachariah Peterson
|  December 29, 2019

IC on prepreg vs. core materials

適切な層の材料で、インピーダンスをコントロールした設計をしていますか?

PCB設計のより細かい点について最初に学び始めたとき、コアは特殊な材料であるという印象を受けました。これは必ずしも真実ではありません。設計者には、要求に最も適したコア/プリプレグの配置を選択する自由があります。インピーダンス配線の制御に関して言えば、特に高周波数では、分離絶縁体としてコア層とプリプレグ層のいずれを使用するかが重要な問題になります。

それでは、どちらの層がインピーダンス配線のコントロールに最適なのでしょうか? 基板のインピーダンスをより細かく制御するには、ガラス繊維の影響を考えるに先立ち、より高い、比誘電率の均一性が必要です。また、製造後の基板の比誘電率の一貫性と予測可能性も高い必要があります。ここでは、プリプレグ層とコア層の位置を決定する際に、レイヤー構成に適した材料をどこで慎重に購入する必要があるかを説明します。

プリプレグvsコアにおけるインピーダンス コントロール

コアは、厚くて硬いガラス繊維の層で、通常は層数の少ない基板の中央に配置されます。私が見た限りでは、「コア」という語を使用すると、新人設計者は文字どおり、「あらゆる設計は、基板の中心にコアがあり、その周りに他の層が組み込まれているに違いない」と受け止めます。私は、特に層数が増加するにつれて、これは必要条件ではないことを後から学びました。実際には、コアとプリプレグの層が交互にあり、中央の層は必ずしもコア層ではありません。重要なのは、コア層が配置されている場所に関係なく、レイヤー構成は対称であるという点です。

プリプレグは、製造の時点では完全には硬化していない材料で、コア層間の接着剤を形成します。最近かかわった、板厚が標準的な1.57mmの基板を扱ったプロジェクトでは、外層にRogersのコア、内層にFR4プリプレグ/コアを使用しましたが、このタイプのハイブリッド多層板 (FR4にPTFEを積層) はよく使用されます。材料によってコストが異なるので、コストは結果を左右する要因です。したがって、低損失の積層板は、一般に高速/高周波信号を伝送する層のために予約されています。

通常、比誘電率と厚さの両方に関して、コア層はプリプレグ層よりも高い再現性を持っています。これは、コア材料がすでに銅箔と結合されているからです。これに対し、プリプレグの製造業者は原材料の比誘電率の範囲しか指定できず、アセンブリ後の比誘電率を指定していません。そのような状況が、相互接続上の信号によって参照される実効比誘電率を決定します。特殊な低損失プリプレグ積層板の中には、比誘電率が非常に幅広いバリエーション (50%以上) を持つものがあります。

Pressing and cutting for prepreg vs core materials

シングルPly CoreかダブルPly Coreか?

ガラス繊維の織り方が異なるコア材料の中には、比誘電率が大きく異なるものがあります。これは、特定のコア材料がシングルplyかダブルplyかによっても異なります。106コアと106/1080コアが完璧な例です。これらの材料の比誘電率は約10%変動しますが、既存のデザインを使って、シングルply coreとダブルply coreを入れ替える場合は、トレース幅を調整する必要があります。

ply数に加えて、ガラス繊維の織り方と気孔率が同じプリプレグとコアは、異なる比誘電率を有し、ラミネートの厚さが異なれば織り方が異なるガラス繊維が必要になります。そのため、材料は通常Dkの範囲で分類され、多くの製造業者は、製品シートで厚さ、織り方、コアとプリプレグに使用できるply数を確認するだけです。これらの材料の樹脂含有量と厚さが異なると、比誘電率数も異なります。

製造業者との連携

層が標準化された厚みを持つようスタックアップを設計することは、DFMの側面でおそらく最も議論されていないトピックですが、たぶん最も重要なことです。EDAツールを使用すれば、層の厚さに必要などのような値も入力できます。プリプレグ層のインピーダンス コントロール要件を伝える際は通常、トラック幅と銅箔の重量 (トラック厚に簡単に変換可能)、必要なインピーダンス値、希望する比誘電率、および積層厚を指定します。

既に製造業者から入手できる標準化された材料を中心に基板を設計している場合は、他の変更は必要ありません。そうでない場合は、製造業者が特定要件に最も近いプリプレグの厚さを選択する必要があります。ただし、すべての製造業者が材料データシートに記載されている厚さの値に従っているわけではないこと、独自の押し出し厚を計画しているわけではないことに注意してください。

Prepreg vs core dielectric for impedance control

コア層の最高レベルの絶縁再現性と標準化は、絶縁体が絶縁体として使用された場合、インピーダンスをコントロールした設計はより予測しやすい (つまり、基板全体の比誘電率の変動が小さい) ということを意味します。対照的なストリップラインには、同じ厚さのコアとプリプレグを使用することもできます。プリプレグ層とコア層をどのように配置しても、製造中のプレス、および冷却処理後の基板の歪みを防ぐために、レイヤー構成を対称的に配置する必要があります。また、FR4コアを使った高速積層板など、さまざまな材料を混合することもよくあります。ただし、すべての材料を組み合わせるべきではありません (可能でもありません)。可能かどうかは、各材料の樹脂の種類や熱膨張係数 (CTE) に依存します。最適な基板は、銅箔のCTE値と近いCTE値を持つコア、およびプリプレグ材料を使用します。

統合されたスタックアップ、およびインピーダンス計算ツールを備えたPCB設計ソフトウェアを使用すると、プリプレグvsコア材料の選択と配線を最も簡単に行えます。Altium Designer®のレイヤー構成マネージャーにより、インピーダンスをコントロールした基板を設計し、レイヤースタックを完璧に配置できる、理想的なツールです。また、さまざまな標準材料に関する重要なデータを含む豊富な材料ライブラリを利用することもできます。さらに、特殊な基層材料に対して個別の材料特性を指定することもできます。

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Zachariah Petersonは、学界と産業界に広範な技術的経歴を持っています。PCB業界で働く前は、ポートランド州立大学で教鞭をとっていました。化学吸着ガスセンサーの研究で物理学修士号、ランダムレーザー理論と安定性に関する研究で応用物理学博士号を取得しました。科学研究の経歴は、ナノ粒子レーザー、電子および光電子半導体デバイス、環境システム、財務分析など多岐に渡っています。彼の研究成果は、いくつかの論文審査のある専門誌や会議議事録に掲載されています。また、さまざまな企業を対象に、PCB設計に関する技術系ブログ記事を何百も書いています。Zachariahは、PCB業界の他の企業と協力し、設計、および研究サービスを提供しています。IEEE Photonics Society、およびアメリカ物理学会の会員でもあります。

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