PCB-ydin- ja prepreg-materiaalit

Jokainen monikerroksinen piirilevy perustuu kahteen perusmateriaaliin: ytimeen ja prepreg-materiaaliin. Vaikka ne ovat harvoin näkyvissä valmiissa tuotteessa, niillä on ratkaiseva merkitys piirilevyn paksuuden, kerrosten välisen etäisyyden, impedanssin hallinnan, mekaanisen vakauden ja valmistuksen luotettavuuden kannalta.

Olipa kyseessä sitten yksinkertainen nelikerroksinen piirilevy tai monimutkainen, useista kerroksista koostuva takalevy, ydin- ja prepreg-materiaalien yhteisvaikutuksen ymmärtäminen on olennaisen tärkeää kerrostussuunnittelun ja piirilevyjen valmistuksen kannalta.

Mikä on piirilevyn ydinmateriaali?

Ydinmateriaali on täysin kovettunut laminaatti, jonka molemmille puolille on liimattu kuparifolio.

Se toimii monikerroksisen piirilevyn rakenteellisena perustana ja takaa jäykkyyden valmistusvaiheessa.

Tyypillinen ydin koostuu seuraavista osista:

• Lasikuitulujitus
• Hartsijärjestelmä
• Kuparifolio molemmilla pinnoilla

Rakenne on samanlainen kuin edellä käsitellyissä tavanomaisissa laminaattimateriaaleissa PCB-laminaattimateriaalien selitys, paitsi että hartsi on jo kovettunut.

Ydinmateriaaleja on saatavilla monenlaisina paksuuksina, jotta ne sopivat erilaisiin kerrostusvaatimuksiin.

Ydinmateriaalin ominaisuudet

Ydin kerrokset tarjoavat:

• Mekaaninen lujuusN/OFF)
• Sähköeristys
• Kuparituki
• Muodonpysyvyys

Ilman ytimiä monikerroksiset piirilevyt eivät säilyttäisi rakenteellista eheyttään laminoinnin ja kokoonpanon aikana.

Mikä on PCB-prepreg?

Prepreg on lyhenne sanoista ”pre-impregnated” (esikyllästetty) materiaali.

Se koostuu lasikuitukankaasta, joka on kyllästetty osittain kovettuneella hartsilla.

Toisin kuin ydinmateriaali, prepreg pysyy puolikovettuneessa tilassa ennen laminointia.

PCB-laminointiprosessin aikana lämpö ja paine saavat hartsin virtaamaan ja kovettumaan täysin, jolloin vierekkäiset kerrokset kiinnittyvät toisiinsa.

Prepreg-kerros sisältää tyypillisesti seuraavia aineita:

• Lasikuitukangas
• Osittain kovettunut epoksihartsi
• Ei kuparifoliota

Sen pääasiallinen tarkoitus on luoda tarttuvuus ydinkerroksien välille.

Miten ydin ja prepreg toimivat yhdessä

Monikerroksinen piirilevy on pohjimmiltaan kuparikerrosten pino, jota erottavat toisistaan ytimet ja prepregit.

Esimerkiksi tyypillinen nelikerroksinen rakenne voi näyttää tältä:

Kupari
Ydin
Kupari
Prepreg
Kupari
Ydin
Kupari

Laminoinnin aikana:

1. Prepreg pehmenee.
2. Hartsia valuu rakoihin.
3. Kerrokset on liimattu toisiinsa.
4. Hartsin kovettuminen on päättynyt.
5. Muodostuu yksi kiinteä rakenne.

Tässä prosessissa valmistetaan nykyaikaisessa elektroniikassa käytettävä monikerroksinen piirilevy.

Yhteisten ydinopetussuunnitelman oppimateriaalit

Vakiomallinen FR4-ydin

Suurin osa monikerroksisista piirilevyistä on valmistettu FR4-ydinmateriaalista.

Edut sisältävät:

• Alhaiset kustannukset
• Hyvä mekaaninen lujuus
• Vakaat prosessointiominaisuudet
• Laaja saatavuus

Yleiskäyttöisessä elektroniikassa FR4 on edelleen yleisimmin käytetty vaihtoehto.

Insinöörit, jotka eivät ole perehtyneet FR4-materiaalin ominaisuuksiin, voivat tutustua FR4-piirilevyjen materiaali selitettynä lisätietoja varten.

Korkean TG-arvon omaavat ydinmateriaalit

Sovelluksissa, joissa lämpötilat ovat korkeammat, käytetään usein korkean TG-arvon omaavia ytimiä.

Etuihin kuuluvat:

• Parannettu lämpöstabiilisuus
• Z-akselin laajenemisen väheneminen
• Parempi luotettavuus lyijyttömässä kokoonpanossa

Näitä aineita esiintyy yleisesti:

• Autoelektroniikka
• Teollisuuden ohjauslaitteet
• Sähkönmuunnosjärjestelmät
• Palvelimet

Kuten on käsitelty Korkean TG-arvon FR4-piirilevy, korkeammat TG-arvot voivat parantaa merkittävästi pitkän aikavälin luotettavuutta.

Suurnopeusydinmateriaalit

Nykyaikaisissa viestintälaitteissa käytetään usein erityisiä vähähäviöisiä ytimiä.

Esimerkkejä ovat:

• Megtron-sarja
• Isola-nopeat materiaalit
• I-Speed-laminaatit
• Vähähäviöiset FR4-järjestelmät

Nämä materiaalit auttavat säilyttämään signaalin eheyden suurilla tiedonsiirtonopeuksilla.

Yleisimmät prepreg-tyypit

Prepregit luokitellaan yleensä lasikuitutyypin ja hartsipitoisuuden perusteella.

Yleisiä lasikuitumalleja ovat muun muassa:

• 106
• 1080
• 2113
• 2116
• 7628

Jokaisella mallilla on erilaiset paksuus- ja hartsin ominaisuudet.

Vähähartsinen prepreg

Tarjoukset:

• Parannettu paksuuden säätö
• Hartsin virtauksen heikkeneminen
• Parempi mittavakaus

Käytetään usein piirilevyissä, joissa on paljon kerroksia.

Korkeapitoinen prepreg-muovi

Sisältää:

• Parempi täyttökyky
• Parannettu tarttuvuus
• Suurennettu dielektrinen etäisyys

Käytetään yleensä silloin, kun rakenteessa on suurempia kuparielementtejä.

Ydinmateriaali ja prepreg impedanssin hallinnassa

Ydin- ja prepreg-materiaalien yksi tärkeimmistä tehtävistä on impedanssin hallinta.

Signaalin impedanssi riippuu seuraavista tekijöistä:

• Dielektrisyysvakio (Dk)
• Kerrosten välinen etäisyys
• Kuparin paksuus
• Geometrian jäljitys

Ytimen tai prepregin paksuus vaikuttaa suoraan signaalikerrosten ja vertailutasoiden väliseen etäisyyteen.

Jopa pienet muutokset voivat vaikuttaa merkittävästi kontrolloidun impedanssin arvoihin.

Tästä syystä kerrostussuunnittelu ja materiaalien valinta on sovitettava yhteen jo projektin alkuvaiheessa.

Tulevissa keskusteluissa käsitellään dielektrisiä ominaisuuksia teoksessa PCB-materiaalien Dk- ja Df-arvot.

Materiaalivalinta monikerroksisille piirilevyille

Ydin- ja prepreg-materiaaleja valittaessa on otettava huomioon useita tekijöitä.

Sähköinen suorituskyky

Sovellukset, joissa käytetään suurinopeuksisia signaaleja, edellyttävät vakaita dielektrisiä ominaisuuksia.

Lämpövaatimukset

Korkeammat käyttölämpötilat saattavat edellyttää korkean TG-arvon järjestelmiä.

Levyn paksuus

Ydinmateriaalin ja prepreg-yhdistelmien valinta määrää piirilevyn lopullisen paksuuden.

Tuotantokapasiteetti

Tietyt materiaalit vaativat erityisiä laminointiprofiileja ja käsittelyvalvontaa.

Kustannusnäkökohdat

Materiaalin valinnan tulisi perustua suorituskykyvaatimuksiin sen sijaan, että valittaisiin markkinoiden korkeimman tason tuote.

Laminoinnin aikana esiintyvät yleiset haasteet

Väärä materiaalivalinta voi aiheuttaa useita valmistusongelmia.

Hartsin puute

Riittämätön hartsin virtaus voi aiheuttaa onteloita tai heikkoa tarttuvuutta.

Liiallinen hartsin virtaus

Liian voimakas hartsin liikkuminen voi muuttaa dielektristä etäisyyttä ja vaikuttaa impedanssiin.

Delaminaatio

Huono materiaalien yhteensopivuus voi johtaa kerrosten irtoamiseen lämpösyklien aikana.

Paksuuden vaihtelu

Väärän prepregin valinta voi johtaa epätasaiseen valmiin levyn paksuuteen.

Kokeneet piirilevyvalmistajat ottavat nämä tekijät huomioon kerrostusrakenteen suunnitteluvaiheessa tuotantoriskien minimoimiseksi.

Miksi materiaalien yhteensopivuus on tärkeää

Ydin- ja prepreg-materiaalit hankitaan usein samalta laminaattivalmistajalta.

Materiaalijärjestelmien yhteensovittaminen auttaa varmistamaan, että:

• Tasainen lämpölaajeneminen
• Luotettava liimaus
• Vakaa dielektrinen suorituskyky
• Valmistustuoton parantaminen

Yhteensopimattomien materiaalien käyttö voi aiheuttaa luotettavuusongelmia tuotteen käyttöiän aikana.

FAQ