Jede mehrschichtige Leiterplatte basiert auf zwei grundlegenden Materialien: dem Kernmaterial und dem Prepreg. Auch wenn diese im Endprodukt kaum sichtbar sind, spielen sie eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Plattendicke, des Schichtenabstands, der Impedanzsteuerung, der mechanischen Stabilität und der Fertigungssicherheit.
Ganz gleich, ob es sich um die Herstellung einer einfachen 4-lagigen Leiterplatte oder einer komplexen Backplane mit hoher Lagenanzahl handelt – für das Stackup-Design und die Leiterplattenfertigung ist es unerlässlich zu verstehen, wie Kern- und Prepreg-Materialien zusammenwirken.
Inhaltsübersicht
Was ist das Kernmaterial einer Leiterplatte?
Das Kernmaterial ist ein vollständig ausgehärtetes Laminat, das beidseitig mit Kupferfolie beschichtet ist.
Sie dient als strukturelle Grundlage einer mehrschichtigen Leiterplatte und sorgt während der Fertigung für Stabilität.
Ein typischer Kern besteht aus:
- Glasfaserverstärkung
- Harzsystem
- Kupferfolie auf beiden Seiten
Der Aufbau ähnelt dem der in … behandelten Standard-Laminatmaterialien. PCB-Laminatmaterialien erklärt, mit dem Unterschied, dass das Harz den Aushärtungsprozess bereits abgeschlossen hat.
Kernmaterialien sind in einer Vielzahl von Dicken erhältlich, um unterschiedlichen Anforderungen an den Laminataufbau gerecht zu werden.
Funktionen des Kernmaterials
Die Kernschichten bieten:
- Mechanische Festigkeit
- Elektrische Isolierung
- Kupferhalterung
- Formstabilität
Ohne Kernmaterial würden mehrschichtige Leiterplatten ihre strukturelle Integrität während des Laminier- und Montageprozesses nicht aufrechterhalten können.
Was ist ein PCB-Prepreg?
„Prepreg“ steht für „vorimprägniertes“ Material.
Es besteht aus Glasfasergewebe, das mit teilweise ausgehärtetem Harz imprägniert ist.
Im Gegensatz zum Kernmaterial befindet sich das Prepreg vor dem Laminieren in einem halbausgehärteten Zustand.
Während des Laminierungsprozesses der Leiterplatte bewirken Hitze und Druck, dass das Harz fließt und vollständig aushärtet, wodurch benachbarte Schichten miteinander verbunden werden.
Eine Prepreg-Schicht enthält in der Regel:
- Glasfasergewebe
- Teilweise ausgehärtetes Epoxidharz
- Keine Kupferfolie
Sein Hauptzweck besteht darin, eine Haftung zwischen den Kernschichten herzustellen.
Wie Kernmaterial und Prepreg zusammenwirken
Eine mehrschichtige Leiterplatte besteht im Wesentlichen aus einem Stapel von Kupferschichten, die durch Kerne und Prepregs voneinander getrennt sind.
Ein typischer 4-lagiger Schichtaufbau könnte beispielsweise wie folgt aussehen:
Kupfer
Kern
Kupfer
Prepreg
Kupfer
Kern
KupferWährend des Laminiervorgangs:
- Das Prepreg wird weich.
- Das Harz fließt in die Spalten.
- Die Schichten sind miteinander verbunden.
- Das Harz härtet vollständig aus.
- Es entsteht eine einzige starre Struktur.
Bei diesem Verfahren entsteht die mehrschichtige Leiterplattenstruktur, die in der modernen Elektronik zum Einsatz kommt.
Unterrichtsmaterialien für die Common Core-Standards
Standard-FR4-Kern
Bei den meisten mehrschichtigen Leiterplatten kommen FR4-Kernmaterialien zum Einsatz.
Die Vorteile sind:
- Geringe Kosten
- Gute mechanische Festigkeit
- Stabile Verarbeitungseigenschaften
- Breite Verfügbarkeit
Im Bereich der Allzweckelektronik ist FR4 nach wie vor die am häufigsten verwendete Option.
Ingenieure, die mit den Eigenschaften von FR4 nicht vertraut sind, können folgende Informationen zu Rate ziehen: Das FR4-Leiterplattenmaterial im Detail für weitere Hintergrundinformationen.
Kernmaterialien mit hohem TG-Wert
Bei Anwendungen mit höheren Temperaturen kommen häufig Kerne mit hohem TG zum Einsatz.
Die Vorteile umfassen:
- Verbesserte thermische Stabilität
- Geringere Ausdehnung in der Z-Achse
- Höhere Zuverlässigkeit bei der bleifreien Bestückung
Diese Materialien sind üblicherweise in folgenden Produkten enthalten:
- Kfz-Elektronik
- Industrielle Kontrollen
- Stromumwandlungssysteme
- Server
Wie bereits in FR4-Leiterplatte mit hohem TG-Wert, höhere TG-Werte können die Langzeitzuverlässigkeit erheblich verbessern.
Materialien für Hochgeschwindigkeitskerne
In modernen Kommunikationsgeräten kommen häufig spezielle verlustarme Kerne zum Einsatz.
Beispiele hierfür sind:
- Megtron-Serie
- Isola-Hochgeschwindigkeitswerkstoffe
- I-Speed-Laminate
- Verlustarme FR4-Systeme
Diese Materialien tragen dazu bei, die Signalintegrität bei hohen Datenraten aufrechtzuerhalten.
Gängige Prepreg-Typen
Prepregs werden im Allgemeinen nach Glasfaserart und Harzgehalt klassifiziert.
Zu den gängigen Glasfaser-Modellen gehören:
- 106
- 1080
- 2113
- 2116
- 7628
Jede Ausführung weist unterschiedliche Stärken und Harzeigenschaften auf.
Prepreg mit geringem Harzanteil
Angebote:
- Verbesserte Dickenregelung
- Verminderter Harzfluss
- Bessere Maßhaltigkeit
Wird häufig bei Leiterplatten mit hoher Lagenanzahl verwendet.
Präpreg mit hohem Harzanteil
Bietet:
- Bessere Füllleistung
- Verbesserte Haftung
- Vergrößerter dielektrischer Abstand
Wird in der Regel dort eingesetzt, wo größere Kupferstrukturen vorhanden sind.
Kern und Prepreg bei der Impedanzsteuerung
Eine der wichtigsten Funktionen von Kern- und Prepreg-Materialien ist das Impedanzmanagement.
Die Signalimpedanz hängt ab von:
- Dielektrizitätskonstante (Dk)
- Schichtabstand
- Dicke des Kupfers
- Geometrie nachzeichnen
Die Dicke des Kerns oder des Prepregs wirkt sich direkt auf den Abstand zwischen den Signalschichten und den Referenzebenen aus.
Schon kleine Änderungen können die Werte der kontrollierten Impedanz erheblich beeinflussen.
Aus diesem Grund müssen die Schichtung und die Materialauswahl bereits zu Beginn des Projekts aufeinander abgestimmt werden.
Zukünftige Erörterungen zu dielektrischen Eigenschaften werden behandelt in Dk- und Df-Werte in Leiterplattenmaterialien.
Materialauswahl für mehrschichtige Leiterplatten
Bei der Auswahl von Kern- und Prepreg-Materialien sollten mehrere Faktoren berücksichtigt werden.
Elektrische Leistung
Anwendungen mit Hochgeschwindigkeitssignalen erfordern stabile dielektrische Eigenschaften.
Thermische Anforderungen
Bei höheren Betriebstemperaturen sind unter Umständen Systeme mit hoher TG erforderlich.
Dicke der Platte
Die Kombination aus Kernmaterial und Prepreg bestimmt die endgültige Dicke der Leiterplatte.
Herstellungskapazität
Bestimmte Materialien erfordern spezielle Laminierungsprofile und Verarbeitungskontrollen.
Kostenüberlegungen
Die Materialauswahl sollte sich an den Leistungsanforderungen orientieren und nicht daran, die höchstmögliche Spezifikation zu wählen.
Häufige Herausforderungen beim Laminieren
Eine falsche Materialauswahl kann zu verschiedenen Problemen bei der Fertigung führen.
Harzmangel
Ein unzureichender Harzfluss kann zu Hohlräumen oder einer schwachen Haftung führen.
Übermäßiger Harzfluss
Eine zu starke Bewegung des Harzes kann den dielektrischen Abstand verändern und die Impedanz beeinflussen.
Delamination
Eine schlechte Materialverträglichkeit kann während des Temperaturwechsels zu einer Schichttrennung führen.
Dickenabweichung
Eine falsche Auswahl des Prepregs kann zu Schwankungen bei der Dicke der fertigen Platte führen.
Erfahrene Leiterplattenhersteller berücksichtigen diese Faktoren bei der Entwicklung des Schichtaufbaus, um Produktionsrisiken zu minimieren.
Warum die Materialverträglichkeit wichtig ist
Kern- und Prepreg-Materialien werden häufig vom selben Laminathersteller bezogen.
Die Abstimmung der Materialsysteme trägt dazu bei, Folgendes sicherzustellen:
- Gleichmäßige Wärmeausdehnung
- Zuverlässige Verklebung
- Stabile dielektrische Eigenschaften
- Verbesserte Produktionsausbeute
Die Verwendung inkompatibler Materialien kann über die gesamte Lebensdauer des Produkts hinweg zu Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit führen.
FAQ
A: Das Kernmaterial ist vollständig ausgehärtet und auf beiden Seiten mit Kupferfolie beschichtet. Das Prepreg ist teilweise ausgehärtet und dient beim Laminieren als Haftschicht.
A: Ja. Die Dicke des Prepregs und seine dielektrischen Eigenschaften wirken sich direkt auf die Impedanzwerte und die Signalqualität aus.
A: Ja. Bei vielen mehrschichtigen Laminaten werden verschiedene Prepreg-Typen verwendet, um bestimmte Anforderungen an die Dicke und die elektrischen Eigenschaften zu erfüllen.
A: Ein optimaler Harzfluss gewährleistet eine vollständige Verbindung zwischen den Schichten und trägt dazu bei, Hohlräume oder Delaminationen zu vermeiden.
A: Ja. Prepreg ist für die Verklebung der Kernschichten während des Laminierungsprozesses unverzichtbar.