PCB-kerne- og prepreg-materialer

Hvert flerlags printkort er opbygget omkring to grundlæggende materialer: kerne og prepreg. Selvom de sjældent er synlige i det færdige produkt, spiller de en afgørende rolle for kortets tykkelse, lagafstanden, impedansstyringen, den mekaniske stabilitet og pålideligheden i fremstillingsprocessen.

Uanset om man fremstiller et simpelt 4-lags printkort eller et komplekst backplane med mange lag, er det afgørende for designet af lagopbygningen og fremstillingen af printkortet at forstå, hvordan kerne- og prepreg-materialer fungerer sammen.

Hvad er PCB-kernemateriale?

Kernematerialet er et fuldt hærdet laminat med kobberfolie lamineret på begge sider.

Det fungerer som det strukturelle fundament for et flerlags printkort og sikrer stivhed under fremstillingen.

En typisk kerne består af:

• Glasfiberforstærkning
• Harpikssystem
• Kobberfolie på begge sider

Konstruktionen svarer til de standardlaminatmaterialer, der er beskrevet i En forklaring på PCB-laminatmaterialer, bortset fra at harpiksen allerede er færdig med at hærde.

Kernematerialerne fås i et bredt udvalg af tykkelser, så de kan imødekomme forskellige krav til lagopbygning.

Kernematerialets funktioner

Kernelagene sikrer:

• Mekanisk styrke
• Elektrisk isolering
• Kobberunderstøtning
• Dimensionsstabilitet

Uden kerner ville flerlagsprintkort ikke kunne bevare deres strukturelle integritet under laminering og samling.

Hvad er PCB-prepreg?

Prepreg er en forkortelse for »forimpregneret« materiale.

Det består af glasfiberdug, der er imprægneret med delvist hærdet harpiks.

I modsætning til kernematerialet forbliver prepreg i en delvist hærdet tilstand inden laminering.

Under lamineringsprocessen af printkort får varme og tryk harpiksen til at flyde og hærde fuldstændigt, hvorved de tilstødende lag bindes sammen.

Et prepreg-lag indeholder typisk:

• Glasfiberdug
• Delvist hærdet epoxyharpiks
• Ingen kobberfolie

Dets primære formål er at skabe vedhæftning mellem kernelagene.

Sådan fungerer Core og Prepreg sammen

Et flerlags printkort er i bund og grund en stak af kobberlag, der er adskilt af kerner og prepregs.

Et typisk 4-lags lagopbygning kan f.eks. se sådan ud:

Kobber
Kerne
Kobber
Prepreg
Kobber
Kerne
Kobber

Under laminering:

1. Prepreggen blødgøres.
2. Harpiksen trænger ind i sprækkerne.
3. Lagene er limet sammen.
4. Harpiksen hærder fuldstændigt.
5. Der dannes en enkelt stiv struktur.

Denne proces skaber den flerlags printpladestruktur, der anvendes i moderne elektronik.

Fælles kernemateriale

Standard FR4-kerne

I de fleste flerlags printkort anvendes FR4 som kernemateriale.

Fordelene omfatter:

• Lave omkostninger
• God mekanisk styrke
• Stabile forarbejdningsegenskaber
• Bred tilgængelighed

Inden for elektronik til almindelige formål er FR4 stadig det mest udbredte valg.

Ingeniører, der ikke er bekendt med FR4’s egenskaber, kan læse mere her: FR4-printplademateriale forklaret for yderligere baggrundsinformation.

Kernematerialer med høj TG-værdi

I anvendelser, hvor der er tale om højere temperaturer, anvendes der ofte kerner med høj TG.

Fordelene omfatter:

• Forbedret termisk stabilitet
• Reduceret udvidelse langs Z-aksen
• Større pålidelighed ved blyfri montering

Disse materialer findes typisk i:

• Elektronik til biler
• Industrielle kontroller
• Strømkonverteringssystemer
• Servere

Som beskrevet i FR4-printplade med høj TG-værdi, kan højere TG-værdier forbedre pålideligheden på lang sigt betydeligt.

Materialer til højhastighedskerner

Moderne kommunikationsudstyr anvender ofte specialfremstillede kerner med lavt tab.

Eksemplerne omfatter:

• Megtron-serien
• Isola-materialer til højhastighedsbrug
• I-Speed-laminater
• FR4-systemer med lavt tab

Disse materialer bidrager til at opretholde signalintegriteten ved høje datahastigheder.

Almindelige typer af prepreg

Prepregs klassificeres generelt efter glasfibertype og harpiksindhold.

Blandt de mest almindelige glasfibermodeller kan nævnes:

• 106
• 1080
• 2113
• 2116
• 7628

Hver type har forskellige tykkelser og harpiksegenskaber.

Prepreg med lavt harpiksindhold

Tilbud:

• Forbedret tykkelseskontrol
• Reduceret harpiksgennemstrømning
• Bedre dimensionsstabilitet

Anvendes ofte i printkort med mange lag.

Prepreg med højt harpiksindhold

Indeholder:

• Bedre påfyldningskapacitet
• Forbedret vedhæftning
• Forøget dielektrisk afstand

Anvendes typisk, hvor der forekommer større kobberelementer.

Kerne og prepreg i impedansregulering

En af de vigtigste funktioner ved kerne- og prepreg-materialer er impedansstyring.

Signalimpedansen afhænger af:

• Dielektricitetskonstant (Dk)
• Lagafstand
• Tykkelse af kobber
• Sporgeometri

Tykkelsen på kernen eller prepreg’en har direkte indflydelse på afstanden mellem signallagene og referenceplanerne.

Selv små ændringer kan have en betydelig indflydelse på værdierne for kontrolleret impedans.

Af denne grund skal udformningen af lagopbygningen og materialevalget koordineres helt fra projektets start.

Fremtidige drøftelser om dielektriske egenskaber vil blive behandlet i Dk- og Df-værdier i PCB-materialer.

Valg af materialer til flerlags printkort

Der er flere faktorer, man bør tage i betragtning, når man vælger kerne- og prepreg-materialer.

Elektrisk ydeevne

Anvendelser, der involverer højhastighedssignaler, kræver stabile dielektriske egenskaber.

Termiske krav

Højere driftstemperaturer kan kræve systemer med høj TG.

Pladens tykkelse

Kombinationen af kerne og prepreg bestemmer den endelige tykkelse på printkortet.

Produktionskapacitet

Visse materialer kræver specielle lamineringsprofiler og proceskontrol.

Overvejelser om omkostninger

Valget af materiale bør tage udgangspunkt i ydeevnekravene frem for at vælge den højeste tilgængelige specifikation.

Almindelige udfordringer ved laminering

Et forkert valg af materiale kan medføre en række produktionsproblemer.

Mangel på harpiks

Et utilstrækkeligt harpiksgennemstrømning kan medføre hulrum eller svag vedhæftning.

For stort harpiksflow

For stor bevægelse af harpiksen kan ændre den dielektriske afstand og påvirke impedansen.

Delaminering

Dårlig materialekompatibilitet kan medføre, at lagene adskiller sig under termisk cykling.

Tykkelsevariation

Et forkert valg af prepreg kan føre til uensartet tykkelse på det færdige plade.

Erfarne PCB-producenter tager højde for disse faktorer under udviklingen af lagopbygningen for at minimere produktionsrisici.

Hvorfor materialekompatibilitet er vigtig

Kerne- og prepreg-materialer leveres ofte fra den samme laminatproducent.

Ved at tilpasse materialesystemerne sikres blandt andet:

• Ensartet termisk udvidelse
• Pålidelig limning
• Stabil dielektrisk ydeevne
• Forbedret produktionsudbytte

Brug af uforenelige materialer kan medføre problemer med pålideligheden i løbet af produktets levetid.

OFTE STILLEDE SPØRGSMÅL