Różnice między materiałem Prepreg a rdzeniem PCB: Co powinni wiedzieć projektanci

Czasami otrzymuję pytania od projektantów, którzy chcą dowiedzieć się więcej o wyborze materiałów do PCB i procesie produkcyjnym. Chociaż nie jestem producentem, warto, aby projektanci mieli pewną wiedzę o materiałach, które mają do dyspozycji, pracując nad nowym projektem. Jedno z pytań dotyczy dokładnych różnic między rdzeniem a prepregiem w PCB. Terminy te są czasami używane zamiennie, w tym przez początkujących projektantów; przyznaję, że sam byłem tego winny.

Po zrozumieniu różnicy między prepregiem a rdzeniem, jakiego dokładnie materiału powinieneś użyć do swojej aplikacji? Jak ważne parametry elektryczne zmieniają się podczas galwanizacji, trawienia i utwardzania? Ponieważ coraz więcej projektantów musi być ściśle zaznajomionych z pracą na częstotliwościach GHz, te kwestie stają się bardzo ważne dla prawidłowego wymiarowania ścieżek na tych materiałach i unikania skomplikowanych problemów z integralnością sygnału.

Jaka jest różnica między rdzeniem a prepregiem w projektowaniu PCB?

Rdzenie i laminaty PCB są podobne, ale pod pewnymi względami znacznie różne. Twój rdzeń to efektywnie jeden lub więcej laminatów prepreg, które są prasowane, utwardzane i utwardzane za pomocą ciepła, a rdzeń jest pokryty folią miedzianą z każdej strony. Materiał prepreg jest nasączony żywicą, gdzie żywica jest utwardzana, ale pozostawiona nieutwardzona. Większość producentów opisuje prepreg jako klej, który trzyma razem materiały rdzeniowe; gdy dwa rdzenie są ułożone po obu stronach laminatu prepreg, wystawienie stosu na ciepło powoduje, że żywica zaczyna wiązać się z sąsiednimi warstwami. Utwardzona żywica powoli utwardza się poprzez sieciowanie, a jej wynikowe właściwości materiałowe zaczynają zbliżać się do właściwości warstw rdzenia.

Materiał żywiczny otacza splot szklany, a proces produkcyjny tego splotu szklanego jest bardzo podobny do używanego do produkcji przędzy. Splot szklany może być dość ciasny (np. prepreg 7628) lub luźny (np. prepreg 1080), co jest kontrolowane za pomocą krosna podczas produkcji. Wszelkie luki i ogólna jednorodność przędzy będą decydować o właściwościach elektromagnetycznych, które następnie odpowiadają za dyspersję, straty i wszelkie efekty splotu włókien widoczne przez sygnały na płycie.

Rdzenie/prepregi PCB FR4 i ich ważne właściwości materiałowe. Źródło: Isola Group.

Rdzeń PCB a materiały prepreg mogą mieć nieco różne stałe dielektryczne, w zależności od zawartości żywicy, typu żywicy i splotu szklanego. Może to stanowić problem podczas projektowania płyt, które wymagają bardzo precyzyjnego dopasowania impedancji, ponieważ efektywna stała dielektryczna widziana przez sygnał na ścieżce zależy od stałych dielektrycznych otaczających materiałów. Nie wszystkie materiały prepreg i rdzenia są ze sobą kompatybilne, a stosy rdzeń/prepreg o bardzo różnych stałych dielektrycznych utrudniają przewidywanie dokładnych stałych dielektrycznych i strat w połączeniu (patrz poniżej).

W przypadku każdego materiału rdzenia PCB lub prepreg, problemem przy wysokim napięciu jest prąd upływu i przenikanie. Elektromigracja miedzi i następujący wzrost przewodzących filamentów są jednym z powodów specyfikacji przenikania dla materiałów FR4. Ten problem, jak również chęć zwiększenia temperatury przejścia szklistego i temperatury rozkładu, zmotywowały do przejścia na żywice niezawierające dicyjandiamidu (non-DICY) w rdzeniach i laminatach FR4. Żywice fenolowe zapewniają wyższą temperaturę rozkładu i przejścia szklistego w porównaniu do żywic DICY, jednocześnie zapewniając wyższą rezystancję izolacji po pełnym utwardzeniu.

Efektywna stała dielektryczna dla różnych materiałów rdzenia i prepreg

Z uwagi na oczywiste zmiany strukturalne w materiałach rdzenia i prepregu, uzyskanie dokładnej wartości stałej dielektrycznej i tangensa strat jest ważne z punktu widzenia integralności sygnału. Kiedy twoje sygnały mają niski czas narastania, prawdopodobnie możesz zadowolić się wartością z karty katalogowej marketingowej. Gdy jednak twoje częstotliwości kolanowe lub sygnały analogowe osiągną zakres GHz, musisz być ostrożny z wartościami podanymi w kartach katalogowych, szczególnie przy modelowaniu zachowania połączeń i używaniu trasowania z kontrolowaną impedancją.

Problem z wartościami z kart katalogowych polega na tym, że rzeczywista mierzona stała dielektryczna zależy od metody testowej, geometrii trasowania, konkretnych częstotliwości (szczególnie w zakresie GHz), zawartości żywicy, a nawet grubości materiału. John Coonrod omówił ten problem szczegółowo w niedawnym podcaście. Wzór splotu w różnych materiałach rdzenia/prepregu PCB sprawia, że są one wysoce niejednorodne i anizotropowe, co oznacza, że ważne właściwości materiałowe różnią się w przestrzeni i w różnych kierunkach. To jest powód, dla którego mamy efekty splotu włókien, takie jak skos i rezonanse jamy włókien.

Możesz się zastanawiać, dlaczego grubość laminatu ma znaczenie przy charakteryzowaniu właściwości materiału? Powodem jest to, że ważnym parametrem charakteryzującym zachowanie sygnału jest efektywna stała dielektryczna (pamiętaj, że jest to wielkość złożona!), która zależy od wymiarów ścieżki i grubości warstwy, której używasz w swoim materiale. Zapoznaj się z tymi artykułami na temat linii transmisyjnych microstrip oraz symetrycznej stripline.

Ostatecznie, innym ważnym parametrem do rozważenia jest chropowatość miedzi na danym laminacie. Dwa artykuły, do których podałem linki powyżej, dostarczają wartości efektywnej stałej dielektrycznej dla geometrii linii transmisyjnych microstrip i stripline, zakładając brak chropowatości miedzi. Jednak istnieje prosta liniowa aproksymacja, którą możesz użyć, aby uwzględnić chropowatość miedzi:

Efektywna stała dielektryczna z uwzględnieniem chropowatości miedzi. Źródło: B. Simonovich, Demystifying PCB Transmission Line Interconnect Modeling, Signal Integrity Journal.

W tym równaniu, Hsmooth to grubość dielektryka, a Rz to średnia chropowatość z 10 punktów. Ta wartość powinna być określona przez producenta laminatu. Jeśli projektujesz dla wysokich prędkości i potrzebujesz sterowania impedancją, wówczas Twój producent powinien być w stanie dostarczyć te wartości. Do modelowania będziesz musiał użyć odpowiedniego modelu do opisania chropowatości; zapoznaj się z artykułem Bert'a Simonovich'a w Signal Integrity Journal dla uzyskania więcej informacji.

Jeśli pracujesz przy ekstremalnie wysokich prędkościach/częstotliwościach z niskimi poziomami sygnału i wymagasz bardzo dokładnej charakterystyki połączeń, wówczas najlepszym rozwiązaniem jest stworzenie kuponu testowego i użycie standardowej metody pomiaru do określenia efektywnej stałej dielektrycznej. Twoja metoda testowa powinna używać geometrii, która ściśle odpowiada zamierzonej geometrii połączenia. Wymaga to pewnej pracy na początku, ale dokładne testy i pomiary mogą zaoszczędzić Ci niepotrzebnych prototypów na końcu.

Gdy wybierasz spośród różnych materiałów rdzenia PCB i prepregu, menedżer układu warstw w Altium Designer^® może być ogromną pomocą. Będziesz miał dostęp do biblioteki materiałów, która zawiera ważne dane na temat szerokiej gamy standardowych materiałów, lub możesz określić konkretne właściwości materiałów dla egzotycznych materiałów podłoża. Te funkcje zwiększają Twoją produktywność, jednocześnie pozwalając dostosować projekt do bardzo specyficznych zastosowań.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.