Diferenças Entre Material Prepreg vs. Núcleo de PCB: O que os Designers Precisam Saber

Às vezes recebo perguntas de designers que querem saber mais sobre a seleção de materiais para PCB e o processo de fabricação. Embora eu não seja um fabricante, é conveniente que os designers entendam algo sobre os materiais disponíveis quando estão trabalhando em um novo projeto. Uma pergunta que recebo é sobre as diferenças exatas entre os materiais de núcleo e prepreg para PCBs. Os termos às vezes são usados de forma intercambiável, inclusive por designers novatos; admito que já fui culpado disso.

Uma vez que a diferença entre prepreg e núcleo esteja clara, qual material exato você deve usar para sua aplicação? Como os parâmetros elétricos importantes mudam durante a galvanoplastia, gravação e cura? À medida que mais designers precisam se familiarizar intimamente com o trabalho em frequências de GHz, esses pontos se tornam bastante importantes para dimensionar adequadamente as trilhas nesses materiais e evitar problemas complicados de integridade de sinal.

Qual é a Diferença Entre Núcleo vs. Prepreg no Design de PCB?

Núcleos e laminados de PCB são semelhantes e, em alguns aspectos, bastante diferentes. Seu núcleo é efetivamente um ou mais laminados prepreg que são prensados, endurecidos e curados com calor, e o núcleo é revestido com folha de cobre de cada lado. O material prepreg é impregnado com uma resina, onde a resina é endurecida mas deixada sem cura. A maioria dos fabricantes descreve o prepreg como a cola que mantém os materiais do núcleo juntos; quando dois núcleos são empilhados de cada lado de um laminado prepreg, expor a pilha ao calor faz com que a resina comece a se ligar às camadas adjacentes. A resina endurecida lentamente cura através de reticulação, e suas propriedades materiais resultantes começam a se aproximar daquelas das camadas do núcleo.

O material da resina envolve uma trama de vidro, e o processo de fabricação para esta trama de vidro é muito semelhante ao usado para fabricar fios. A trama de vidro pode ser bastante apertada (por exemplo, prepreg 7628) ou solta (por exemplo, prepreg 1080), o que é controlado com um tear durante a fabricação. Quaisquer lacunas e a homogeneidade geral do fio determinarão as propriedades eletromagnéticas, que são então responsáveis pela dispersão, perdas e quaisquer efeitos de trama de fibra vistos pelos sinais na placa.

Núcleos/prepregs de PCB FR4 e suas importantes propriedades materiais. Fonte: Isola Group.

Materiais de núcleo e prepreg de PCB podem ter constantes dielétricas um tanto diferentes, dependendo do conteúdo de resina, tipo de resina e tecido de vidro. Isso pode ser um problema ao projetar placas que requerem correspondência de impedância muito precisa, pois a constante dielétrica efetiva vista por um sinal em uma trilha depende das constantes dielétricas dos materiais circundantes. Nem todos os materiais de prepreg e núcleo são compatíveis entre si, e pilhas de núcleo/prepreg com constantes dielétricas muito diferentes tornam difícil prever constantes dielétricas exatas e perdas em um interconector (veja abaixo).

Com qualquer material de núcleo ou prepreg de PCB, a corrente de fuga e o rastreamento são preocupações em alta tensão. A eletromigração do cobre e o subsequente crescimento de filamentos condutivos são uma razão para as especificações de rastreamento para materiais FR4. Esse problema, bem como o desejo de aumentar as temperaturas de transição vítrea e decomposição, motivaram a mudança para resinas não-dicianodiamida (não-DICY) em núcleos e laminados FR4. Resinas fenólicas fornecem temperaturas de decomposição e transição vítrea mais altas em comparação com resinas DICY, ao mesmo tempo que proporcionam maior resistência à isolação após a cura completa.

Constante Dielétrica Efetiva para Diferentes Materiais de Núcleo e Prepreg

Com as óbvias variações estruturais em materiais de núcleo e prepreg, obter um valor preciso para a constante dielétrica e o tangente de perda é importante do ponto de vista da integridade do sinal. Quando seus sinais têm baixo tempo de subida, você provavelmente pode se contentar em pegar um valor de uma folha de dados de marketing. Uma vez que suas frequências de joelho ou sinais analógicos atingem a faixa de GHz, você precisa ter cuidado com os valores citados nas folhas de dados, especialmente ao modelar o comportamento de interconexão e usar roteamento controlado por impedância.

O problema com os valores das folhas de dados é que a constante dielétrica real medida depende do método de teste, geometria de roteamento, frequências específicas (especialmente na faixa de GHz), conteúdo de resina e até mesmo espessura do material. John Coonrod discutiu esse problema extensivamente em um podcast recente. O padrão de tecido em diferentes materiais de núcleo/prepreg de PCB os torna altamente inomogêneos e anisotrópicos, significando que as propriedades materiais importantes variam no espaço e em diferentes direções. Esta é a razão pela qual temos efeitos de tecido de fibra, como desvio e ressonâncias de cavidade de fibra.

Você pode estar pensando, por que a espessura de um laminado importa ao caracterizar propriedades de materiais? A razão é que o parâmetro importante que caracteriza o comportamento do sinal é a constante dielétrica efetiva (lembre-se, esta é uma quantidade complexa!), que depende das dimensões do traço e da espessura da camada que você usa no seu material. Dê uma olhada nestes artigos para linhas de transmissão microstrip e stripline simétrica.

Finalmente, o outro parâmetro importante a considerar é a aspereza do cobre em um laminado dado. Os dois artigos que eu linkei acima fornecem valores de constante dielétrica efetiva para geometrias de linha de transmissão microstrip e stripline, assumindo ausência de aspereza de cobre. No entanto, existe uma aproximação linear simples que você pode usar para levar em conta a aspereza do cobre:

Constante dielétrica efetiva com aspereza de cobre. Fonte: B. Simonovich, Desmistificando a Modelagem de Interconexão de Linha de Transmissão de PCB, Signal Integrity Journal.

Nesta equação, Hsmooth é a espessura do dielétrico, e Rz é a rugosidade média de 10 pontos. Este valor deve ser especificado pelo fabricante do laminado. Se você está projetando para alta velocidade e precisa de roteamento com controle de impedância, então seu fabricante deve ser capaz de fornecer esses valores para você. Para modelagem, você precisará usar o modelo certo para descrever a rugosidade; dê uma olhada no artigo de Bert Simonovich no Signal Integrity Journal para mais informações.

Se você está trabalhando em velocidades/frequências extremamente altas com níveis de sinal baixos e requer uma caracterização de interconexão altamente precisa, então sua melhor opção é criar um cupom de teste e usar uma medição padrão para determinar a constante dielétrica efetiva. Seu método de teste deve usar uma geometria que se assemelhe de perto à geometria de interconexão pretendida. Isso requer algum trabalho inicial, mas testes e medições precisas podem poupar você de rodadas desnecessárias de prototipagem no final.

Quando você está selecionando entre uma variedade de diferentes materiais de núcleo e prepreg de PCB, o gerenciador de pilhas de camadas no Altium Designer pode ser de grande ajuda. Você terá acesso a uma biblioteca de materiais que contém dados importantes sobre uma ampla gama de materiais padronizados, ou você pode especificar propriedades de material específicas para materiais de substrato exóticos. Essas funcionalidades aumentam sua produtividade enquanto ainda permitem que você adapte seu design para aplicações altamente específicas.

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