Различия между препрегом и основой печатной платы: что должны знать дизайнеры

Иногда дизайнеры задают мне вопросы, желая узнать больше о выборе материалов для печатных плат и процессе их производства. Хотя я не производитель, дизайнерам важно понимать, какие материалы у них есть в распоряжении при работе над новым проектом. Один из вопросов, который мне задают, касается точных различий между сердцевиной платы и препрегом. Термины иногда используются как взаимозаменяемые, в том числе и начинающими дизайнерами; признаю, что и сам был виновен в этом.

Как только становится ясно различие между препрегом и сердцевиной, какой именно материал следует использовать для вашего приложения? Как важные электрические параметры изменяются во время гальваники, травления и отверждения? Поскольку все больше дизайнеров должны тесно знакомиться с работой на частотах в гигагерцах, эти моменты становятся весьма важными для правильного размера дорожек на этих материалах и избежания сложных проблем с целостностью сигнала.

В чем разница между сердцевиной и препрегом в дизайне печатных плат?

Основы и ламинаты печатных плат схожи, но в некоторых аспектах сильно отличаются. Ваша основа фактически представляет собой один или несколько пропитанных ламинатов, которые прессуются, твердеют и отверждаются под действием тепла, а затем основа покрывается медной фольгой с каждой стороны. Материал пропитки насыщен смолой, где смола твердеет, но остается неотвержденной. Большинство производителей описывают пропитку как клей, который удерживает вместе материалы основы; когда две основы укладываются по каждую сторону от ламината пропитки, подвергание стека теплу заставляет смолу начать соединяться с соседними слоями. Отвердевшая смола медленно отверждается через процесс сшивания, и ее результирующие материальные свойства начинают приближаться к свойствам слоев основы.

Материал смолы окружает стекловолоконное плетение, и процесс производства этого стекловолоконного плетения очень похож на процесс производства пряжи. Плетение стекловолокна может быть довольно плотным (например, пропитка 7628) или рыхлым (например, пропитка 1080), что контролируется на ткацком станке во время производства. Любые зазоры и общая однородность пряжи будут определять электромагнитные свойства, которые затем отвечают за дисперсию, потери и любые эффекты стекловолоконного плетения, видимые сигналами на плате.

Основы/пропитки печатных плат FR4 и их важные материальные свойства. Источник: Isola Group.

Диэлектрические константы материалов для сердечника и препрега могут отличаться в зависимости от содержания смолы, типа смолы и типа стеклоткани. Это может стать проблемой при проектировании плат, требующих очень точного согласования импедансов, поскольку эффективная диэлектрическая постоянная, воспринимаемая сигналом на дорожке, зависит от диэлектрических постоянных окружающих материалов. Не все материалы препрега и сердечника совместимы друг с другом, и стеки сердечник/препрег с очень разными диэлектрическими постоянными затрудняют точное предсказание диэлектрических постоянных и потерь в межсоединениях (см. ниже).

При использовании любого материала для сердечника или препрега ПП, проблемой при высоком напряжении являются токи утечки и ползучесть. Электромиграция меди и последующий рост проводящих филаментов являются одной из причин спецификаций по ползучести для материалов FR4. Эта проблема, а также желание повысить температуры стеклования и разложения, стимулировали переход на смолы, не содержащие дициандиамида (не-DICY) в сердечниках и ламинатах FR4. Фенольные смолы обеспечивают более высокие температуры разложения и стеклования по сравнению с DICY смолами, а также обеспечивают более высокое сопротивление изоляции после полного отверждения.

Эффективная диэлектрическая постоянная для различных материалов сердечника и препрега

Учитывая очевидные структурные различия в материалах сердечника и препрега, получение точного значения для диэлектрической постоянной и тангенса угла потерь важно с точки зрения целостности сигнала. Когда у ваших сигналов низкое время нарастания, вы, возможно, сможете обойтись значением из маркетингового технического описания. Однако, как только ваши частоты среза или аналоговые сигналы достигают диапазона ГГц, вам нужно быть осторожными с значениями, указанными в технических описаниях, особенно при моделировании поведения межсоединений и использовании маршрутизации с контролируемым импедансом.

Проблема значений из технических описаний заключается в том, что фактическая диэлектрическая постоянная, измеренная в зависимости от метода испытаний, геометрии трассировки, конкретных частот (особенно в диапазоне ГГц), содержания смолы и даже толщины материала. Джон Кунрод подробно обсуждал эту проблему в недавнем подкасте. Узор переплетения в различных материалах сердечника/препрега делает их высоко неоднородными и анизотропными, что означает, что важные свойства материала варьируются в пространстве и в разных направлениях. Вот почему у нас есть эффекты волоконного переплетения, такие как сдвиг и резонансы волоконных полостей.

Возможно, вы задаетесь вопросом, почему толщина ламината имеет значение при характеристике свойств материала? Дело в том, что важным параметром, характеризующим поведение сигнала, является эффективная диэлектрическая проницаемость (помните, это комплексная величина!), которая зависит от размеров дорожек и толщины слоя, используемых в вашем материале. Ознакомьтесь с этими статьями о микрополосковых и симметричных стриплайновых линиях передачи.

Наконец, другим важным параметром, который следует учитывать, является шероховатость меди на данном ламинате. Две статьи, на которые я ссылаюсь выше, предоставляют значения эффективной диэлектрической проницаемости для геометрий микрополосковых и стриплайновых линий передачи, предполагая отсутствие шероховатости меди. Однако существует простая линейная аппроксимация, которую вы можете использовать для учета шероховатости меди:

Эффективная диэлектрическая проницаемость с учетом шероховатости меди. Источник: B. Simonovich, Разгадывание моделирования межсоединений линий передачи на печатных платах, Журнал по интегральной схемотехнике.

В этом уравнении Hsmooth - это толщина диэлектрика, а Rz - средняя шероховатость по 10 точкам. Это значение должно быть указано производителем ламината. Если вы проектируете для высокоскоростной работы и вам нужна маршрутизация с контролируемым импедансом, то ваш производитель должен быть в состоянии предоставить эти значения. Для моделирования вам нужно будет использовать правильную модель для описания шероховатости; посмотрите статью Берта Симоновича в журнале Signal Integrity Journal для получения дополнительной информации.

Если вы работаете на крайне высоких скоростях/частотах с низкими уровнями сигнала и вам требуется высокоточная характеризация соединений, то ваш лучший вариант - создать тестовый образец и использовать стандартный метод измерения для определения эффективной диэлектрической постоянной. Ваш метод испытаний должен использовать геометрию, максимально приближенную к геометрии вашего предполагаемого соединения. Это потребует некоторой работы на начальном этапе, но точные испытания и измерения могут избавить вас от ненужных прототипирований на заключительном этапе.

Когда вы выбираете из различных материалов для основы и препрега печатных плат, менеджер стека слоев в Altium Designer^® может оказаться огромной помощью. Вы получите доступ к библиотеке материалов, содержащей важные данные о широком спектре стандартизированных материалов, или вы можете указать конкретные свойства материала для экзотических подложек. Эти функции повышают вашу продуктивность, при этом позволяя адаптировать ваш дизайн под высокоспецифичные приложения.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.