Elke meerlaagse printplaat is opgebouwd uit twee basismaterialen: de kern en het prepreg. Hoewel deze in het eindproduct zelden zichtbaar zijn, spelen ze een cruciale rol bij het bepalen van de dikte van de printplaat, de afstand tussen de lagen, de impedantiecontrole, de mechanische stabiliteit en de betrouwbaarheid van het productieproces.
Of het nu gaat om de productie van een eenvoudige printplaat met vier lagen of een complexe backplane met een groot aantal lagen: inzicht in de wisselwerking tussen kern- en prepregmaterialen is essentieel voor het ontwerp van de laagopbouw en de fabricage van printplaten.
Inhoudsopgave
Wat is het kernmateriaal van een printplaat?
Het kernmateriaal bestaat uit een volledig uitgehard laminaat waarop aan beide zijden koperfolie is aangebracht.
Het vormt de structurele basis van een meerlaagse printplaat en zorgt voor stevigheid tijdens de fabricage.
Een typische kern bestaat uit:
- Glasvezelversterking
- Harssysteem
- Koperfolie aan beide zijden
De constructie is vergelijkbaar met de standaard laminaatmaterialen die worden besproken in Uitleg over PCB-laminaatmaterialen, behalve dat de hars het uithardingsproces al heeft doorlopen.
De kernmaterialen zijn verkrijgbaar in een breed scala aan diktes om aan verschillende stapelconfiguraties te voldoen.
Functies van het kernmateriaal
De kernlagen bieden:
- Mechanische sterkte
- Elektrische isolatie
- Koperen steun
- Dimensionale stabiliteit
Zonder kernen zouden meerlaagse printplaten hun structurele integriteit tijdens het lamineren en de assemblage niet behouden.
Wat is PCB-prepreg?
Prepreg staat voor „vooraf geïmpregneerd“ materiaal.
Het bestaat uit glasvezeldoek dat is geïmpregneerd met gedeeltelijk uitgeharde hars.
In tegenstelling tot kernmateriaal blijft prepreg vóór het lamineren in een halfuitgeharde toestand.
Tijdens het lamineerproces van printplaten zorgen warmte en druk ervoor dat de hars gaat vloeien en volledig uithardt, waardoor aangrenzende lagen aan elkaar worden gehecht.
Een prepreg-laag bestaat doorgaans uit:
- Glasvezeldoek
- Gedeeltelijk uitgeharde epoxyhars
- Geen koperfolie
Het belangrijkste doel ervan is om hechting tussen de kernlagen te bewerkstelligen.
Hoe Core en Prepreg samenwerken
Een meerlaagse printplaat bestaat in wezen uit een stapeling van koperen lagen, gescheiden door kernen en prepregs.
Een typische opbouw met vier lagen zou er bijvoorbeeld als volgt uit kunnen zien:
Koper
Kern
Koper
Prepreg
Koper
Kern
KoperTijdens het lamineren:
- Het prepreg wordt zachter.
- Hars sijpelt in de spleten.
- De lagen zijn met elkaar verlijmd.
- De hars hardt volledig uit.
- Er wordt één enkele stijve structuur gevormd.
Dit proces zorgt voor de meerlaagse printplaatstructuur die in moderne elektronica wordt gebruikt.
Leermiddelen voor de Common Core
Standaard FR4-kern
Bij de meeste meerlaagse printplaten wordt FR4 als kernmateriaal gebruikt.
De voordelen zijn onder andere:
- Lage kosten
- Goede mechanische sterkte
- Stabiele verwerkingseigenschappen
- Ruime beschikbaarheid
Voor algemene elektronische toepassingen blijft FR4 de meest gebruikte optie.
Ingenieurs die niet bekend zijn met de eigenschappen van FR4, kunnen terecht bij Uitleg over FR4-printplaatmateriaal voor meer achtergrondinformatie.
Kernmaterialen met een hoge TG-waarde
Bij toepassingen waarbij hogere temperaturen een rol spelen, wordt vaak gebruikgemaakt van kernen met een hoge TG-waarde.
Voordelen zijn onder andere:
- Verbeterde thermische stabiliteit
- Verminderde uitzetting langs de Z-as
- Grotere betrouwbaarheid bij loodvrije assemblage
Deze materialen komen vaak voor in:
- Automobielelektronica
- Industriële besturingen
- Stroomomzettingssystemen
- Servers
Zoals besproken in FR4-printplaat met hoge TG-waarde, hogere TG-waarden kunnen de betrouwbaarheid op lange termijn aanzienlijk verbeteren.
Materialen voor hogesnelheidskernen
In moderne communicatieapparatuur wordt vaak gebruikgemaakt van speciale kernen met een lage signaalverlies.
Voorbeelden zijn:
- Megtron-serie
- Isola-materialen voor hoge snelheden
- I-Speed-laminaten
- FR4-systemen met lage signaalverliezen
Deze materialen dragen bij aan het behoud van de signaalintegriteit bij hoge datasnelheden.
Veelvoorkomende soorten prepregs
Prepregs worden doorgaans ingedeeld op basis van het type glasvezel en het harsgehalte.
Veelvoorkomende glasvezelmodellen zijn onder meer:
- 106
- 1080
- 2113
- 2116
- 7628
Elke uitvoering heeft een andere dikte en andere eigenschappen van de hars.
Prepreg met laag harsgehalte
Aanbiedingen:
- Verbeterde diktebeheersing
- Verminderde harsstroom
- Betere maatvastheid
Wordt vaak gebruikt in printplaten met een groot aantal lagen.
Prepreg met hoog harsgehalte
Bevat:
- Betere vulcapaciteit
- Verbeterde hechting
- Vergrote diëlektrische afstand
Wordt doorgaans gebruikt wanneer er grotere koperen elementen aanwezig zijn.
Kernmateriaal en prepreg bij impedantieregeling
Een van de belangrijkste functies van kern- en prepregmaterialen is impedantieregeling.
De signaalimpedantie hangt af van:
- Diëlektrische constante (Dk)
- Afstand tussen lagen
- Koperdikte
- Geometrie van de spoorlijn
De dikte van de kern of het prepreg heeft een directe invloed op de afstand tussen de signaallagen en de referentievlakken.
Zelfs kleine veranderingen kunnen een aanzienlijke invloed hebben op de waarden van de geregelde impedantie.
Om deze reden moeten het ontwerp van de opbouw en de materiaalkeuze vanaf het begin van het project op elkaar worden afgestemd.
Toekomstige besprekingen over diëlektrische eigenschappen zullen aan bod komen in Dk- en Df-waarden in PCB-materialen.
Materiaalkeuze voor meerlaagse printplaten
Bij de keuze van kern- en prepregmaterialen moet rekening worden gehouden met verschillende factoren.
Elektrische prestaties
Toepassingen waarbij signalen met hoge snelheid worden gebruikt, vereisen stabiele diëlektrische eigenschappen.
Thermische vereisten
Bij hogere bedrijfstemperaturen kunnen systemen met een hoge TG nodig zijn.
Dikte printplaat
De combinatie van kernmateriaal en prepreg bepaalt de uiteindelijke dikte van de printplaat.
Productiecapaciteit
Voor bepaalde materialen zijn speciale lamineerprofielen en bewerkingsinstellingen vereist.
Kostenoverwegingen
Bij de materiaalkeuze moet rekening worden gehouden met de prestatie-eisen, in plaats van de hoogst mogelijke specificatie te hanteren.
Veelvoorkomende uitdagingen bij het lamineren
Een verkeerde materiaalkeuze kan tot diverse productieproblemen leiden.
Harstekort
Een onvoldoende harsdoorstroming kan leiden tot holtes of een zwakke hechting.
Overmatige harsstroom
Te veel beweging van de hars kan de diëlektrische afstand veranderen en de impedantie beïnvloeden.
Delaminatie
Een slechte materiaalcompatibiliteit kan leiden tot het loslaten van lagen tijdens thermische cycli.
Dikteschommelingen
Een verkeerde keuze van het prepreg kan leiden tot een ongelijkmatige dikte van de afgewerkte plaat.
Ervaren PCB-fabrikanten houden bij de ontwikkeling van de laagopbouw rekening met deze factoren om productierisico’s tot een minimum te beperken.
Waarom materiaalcompatibiliteit belangrijk is
Kern- en prepreg-materialen worden vaak bij dezelfde laminaatfabrikant ingekocht.
Door materiaalsystemen op elkaar af te stemmen, wordt onder meer het volgende gewaarborgd:
- Constante thermische uitzetting
- Betrouwbare hechting
- Stabiele diëlektrische eigenschappen
- Verbeterde productieopbrengst
Het gebruik van onderling onverenigbare materialen kan leiden tot twijfels over de betrouwbaarheid gedurende de levensduur van het product.
FAQ
A: Het kernmateriaal is volledig uitgehard en is aan beide zijden voorzien van koperfolie. Prepreg is gedeeltelijk uitgehard en fungeert tijdens het lamineren als hechtlaag.
A: Ja. De dikte van het prepreg en de diëlektrische eigenschappen hebben een directe invloed op de impedantiewaarden en de signaalprestaties.
A: Ja. Bij veel meerlaagse opbouwen worden verschillende soorten prepregs gebruikt om aan specifieke eisen op het gebied van dikte en elektrische eigenschappen te voldoen.
A: Een goede harsstroom zorgt voor een volledige hechting tussen de lagen en helpt holtes of delaminatie te voorkomen.
A: Ja. Prepreg is onmisbaar om de kernlagen tijdens het lamineerproces aan elkaar te hechten.