Sự Khác Biệt Giữa Vật Liệu Prepreg và Lõi PCB: Những Điều Nhà Thiết Kế Cần Biết

Tôi đôi khi nhận được câu hỏi từ các nhà thiết kế muốn biết thêm về việc lựa chọn vật liệu PCB và quy trình sản xuất. Mặc dù tôi không phải là nhà sản xuất, nhưng việc hiểu một chút về các vật liệu có sẵn khi làm việc trên một dự án mới là điều có lợi cho các nhà thiết kế. Một câu hỏi tôi nhận được là về sự khác biệt cụ thể giữa lõi PCB và vật liệu prepreg. Các thuật ngữ đôi khi được sử dụng thay thế cho nhau, bao gồm cả bởi các nhà thiết kế mới; Tôi phải thừa nhận rằng tôi cũng đã từng mắc lỗi này.

Một khi sự khác biệt giữa prepreg và lõi được làm rõ, vật liệu cụ thể nào bạn nên sử dụng cho ứng dụng của mình? Các thông số điện quan trọng thay đổi như thế nào trong quá trình mạ, ăn mòn và đóng rắn? Khi ngày càng nhiều nhà thiết kế phải trở nên thân thiết với việc làm việc ở tần số GHz, những điểm này trở nên rất quan trọng để định kích thước đúng cho các đường dẫn trên các vật liệu này và tránh các vấn đề phức tạp về tính toàn vẹn tín hiệu.

Sự Khác Biệt Giữa Lõi và Prepreg trong Thiết Kế PCB Là Gì?

Lõi PCB và lớp phủ rất giống nhau và, theo một số cách, khá khác biệt. Lõi của bạn thực sự là một hoặc nhiều lớp phủ prepreg được ép, cứng hóa và đóng rắn bằng nhiệt, và lõi được phủ một lớp lá đồng ở mỗi bên. Vật liệu prepreg được ngâm tẩm với một loại nhựa, nơi nhựa được làm cứng nhưng để nguyên không đóng rắn. Hầu hết các nhà sản xuất mô tả prepreg như là keo giữ các vật liệu lõi lại với nhau; khi hai lõi được xếp chồng lên nhau ở mỗi bên của một lớp phủ prepreg, việc tiếp xúc với nhiệt sẽ khiến nhựa bắt đầu liên kết với các lớp kế cận. Nhựa cứng dần đóng rắn thông qua quá trình liên kết chéo, và các tính chất vật liệu kết quả bắt đầu tiếp cận với các lớp lõi.

Vật liệu nhựa bao bọc một lưới thủy tinh, và quy trình sản xuất cho lưới thủy tinh này rất giống với quy trình được sử dụng để sản xuất sợi. Lưới thủy tinh có thể khá chặt (ví dụ: prepreg 7628) hoặc lỏng (ví dụ: prepreg 1080), điều này được kiểm soát bằng một khung dệt trong quá trình sản xuất. Bất kỳ khoảng trống nào và độ đồng nhất tổng thể của sợi sẽ xác định các tính chất điện từ, sau đó chịu trách nhiệm cho sự phân tán, tổn thất và bất kỳ hiệu ứng sợi dệt nào được thấy bởi các tín hiệu trong bảng mạch.

Lõi/prepreg dệt của FR4 PCB và các tính chất vật liệu quan trọng của chúng. Nguồn: Isola Group.

Vật liệu lõi PCB so với vật liệu prepreg có thể có hằng số điện môi khác nhau tùy thuộc vào hàm lượng nhựa, loại nhựa và loại dệt thủy tinh. Điều này có thể trở thành vấn đề khi thiết kế các bảng mạch yêu cầu sự khớp trở kháng rất chính xác vì hằng số điện môi hiệu quả mà một tín hiệu trên một đường dẫn nhìn thấy phụ thuộc vào hằng số điện môi của các vật liệu xung quanh. Không phải tất cả vật liệu prepreg và lõi đều tương thích với nhau, và các lớp lõi/prepreg có hằng số điện môi rất khác nhau làm cho việc dự đoán chính xác hằng số điện môi và tổn thất trong một kết nối liên lạc trở nên khó khăn (xem bên dưới).

Với bất kỳ vật liệu lõi PCB hoặc prepreg nào, sự chạy rò và dòng rò là một vấn đề ở điện áp cao. Sự di chuyển của đồng và sự phát triển tiếp theo của các sợi dẫn điện là một lý do cho các thông số kỹ thuật chạy rò của vật liệu FR4. Vấn đề này, cũng như mong muốn tăng nhiệt độ chuyển thủy tinh và nhiệt độ phân hủy, đã thúc đẩy việc chuyển sang nhựa không chứa dicyandiamide (non-DICY) trong lõi và lớp phủ FR4. Nhựa phenolic cung cấp nhiệt độ phân hủy và chuyển thủy tinh cao hơn so với nhựa DICY trong khi cũng cung cấp điện trở cách điện cao hơn sau khi hoàn toàn đóng rắn.

Hằng Số Điện Môi Hiệu Quả cho Các Vật Liệu Lõi và Prepreg Khác Nhau

Với những biến thể cấu trúc rõ ràng trong vật liệu lõi và prepreg, việc lấy được giá trị chính xác cho hằng số điện môi và góc mất mát là quan trọng từ quan điểm tính toàn vẹn tín hiệu. Khi tín hiệu của bạn có thời gian tăng thấp, bạn có thể thoải mái lấy một giá trị từ tờ dữ liệu tiếp thị. Một khi tần số đầu gối của bạn hoặc tín hiệu tương tự đạt đến phạm vi GHz, bạn cần phải cẩn thận với các giá trị được trích dẫn từ tờ dữ liệu, đặc biệt là khi mô hình hóa hành vi kết nối liên kết và sử dụng định tuyến kiểm soát trở kháng.

Vấn đề với các giá trị trên tờ dữ liệu là giá trị hằng số điện môi thực tế đo được phụ thuộc vào phương pháp kiểm tra, hình dạng định tuyến, tần số cụ thể (đặc biệt là trong phạm vi GHz), hàm lượng nhựa, và thậm chí độ dày của vật liệu. John Coonrod đã thảo luận rộng rãi về vấn đề này trong một podcast gần đây. Mô hình dệt trong các vật liệu lõi/prepreg PCB khác nhau khiến chúng trở nên rất không đồng nhất và dị hướng, nghĩa là các tính chất vật liệu quan trọng thay đổi trong không gian và theo các hướng khác nhau. Đây là lý do tại sao chúng ta có hiệu ứng sợi dệt, như sự lệch pha và cộng hưởng khoang sợi.

Bạn có thể đang tự hỏi, tại sao độ dày của một lớp cách điện lại quan trọng khi đặc tính vật liệu? Lý do là vì tham số quan trọng mô tả hành vi tín hiệu là hằng số điện môi hiệu quả (nhớ rằng, đây là một đại lượng phức!), phụ thuộc vào kích thước dấu vết và độ dày lớp bạn sử dụng trong vật liệu của mình. Hãy xem các bài viết này về đường truyền microstrip và stripline đối xứng.

Cuối cùng, tham số quan trọng khác cần xem xét là độ nhám của đồng trên một lớp cách điện nhất định. Hai bài viết mà tôi đã liên kết ở trên cung cấp giá trị hằng số điện môi hiệu quả cho hình học đường truyền microstrip và stripline trong khi giả định không có độ nhám của đồng. Tuy nhiên, có một phép ước lượng tuyến tính đơn giản bạn có thể sử dụng để tính toán độ nhám của đồng:

Hằng số điện môi hiệu quả với độ nhám của đồng. Nguồn: B. Simonovich, Demystifying PCB Transmission Line Interconnect Modeling, Signal Integrity Journal.

Trong phương trình này, Hsmooth là độ dày của điện môi, và Rz là độ nhám trung bình 10 điểm. Giá trị này nên được nhà sản xuất laminate cung cấp. Nếu bạn đang thiết kế cho tốc độ cao, và bạn cần định tuyến kiểm soát trở kháng, thì nhà sản xuất của bạn nên có thể cung cấp những giá trị này cho bạn. Để mô hình hóa, bạn cần sử dụng mô hình phù hợp để mô tả độ nhám; hãy xem bài viết của Bert Simonovich trong Tạp chí Tính toán Tín hiệu để biết thêm thông tin.

Nếu bạn làm việc ở tốc độ cao / tần số cao với mức tín hiệu thấp, và bạn yêu cầu đặc tính kết nối chính xác cao, thì lựa chọn tốt nhất của bạn là tạo một phiếu kiểm tra và sử dụng một phương pháp đo lường tiêu chuẩn để xác định hằng số điện môi hiệu quả. Phương pháp kiểm tra của bạn nên sử dụng một hình dạng gần giống với hình dạng kết nối dự định của bạn. Điều này đòi hỏi một số công việc ở giai đoạn đầu, nhưng việc kiểm tra và đo lường chính xác có thể giúp bạn tiết kiệm được những lần chạy mẫu không cần thiết ở giai đoạn sau.

Khi bạn đang lựa chọn từ một loạt các vật liệu lõi PCB so với vật liệu prepreg khác nhau, trình quản lý xếp lớp trong Altium Designer^® có thể là một sự hỗ trợ lớn. Bạn sẽ có quyền truy cập vào một thư viện vật liệu chứa dữ liệu quan trọng về một loạt các vật liệu tiêu chuẩn, hoặc bạn có thể chỉ định các tính chất vật liệu cụ thể cho các vật liệu nền kỳ lạ. Những tính năng này tăng cường năng suất của bạn trong khi vẫn cho phép bạn điều chỉnh thiết kế của mình cho các ứng dụng cụ thể cao.

Giờ đây, bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ lập kế hoạch bố trí, mô phỏng và sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.