Kärnmaterial och prepreg-material för kretskort

Varje flerskiktskretskort bygger på två grundläggande material: kärna och prepreg. Även om de sällan syns i den färdiga produkten spelar de en avgörande roll för kortets tjocklek, skiktavståndet, impedansregleringen, den mekaniska stabiliteten och tillverkningssäkerheten.

Oavsett om man tillverkar ett enkelt kretskort med fyra lager eller en komplex bakplatta med många lager är det avgörande för utformningen av kretskortets lagerstruktur och tillverkningen att förstå hur kärn- och prepregmaterial samverkar.

Vad är kärnmaterial i kretskort?

Kärnmaterialet består av ett fullt härdat laminat med kopparfolie limmad på båda sidor.

Den fungerar som den strukturella grunden för ett flerlagers kretskort och ger styvhet under tillverkningen.

En typisk kärna består av:

• Glasfiberarmering
• Hartsystem
• Kopparfolie på båda sidorna

Konstruktionen liknar de vanliga laminatmaterial som beskrivs i En förklaring av material för kretskortlaminat, med undantag för att hartset redan har genomgått härdningsprocessen.

Kärnmaterialen finns i ett brett utbud av tjocklekar för att uppfylla olika krav på materialuppbyggnad.

Kärnmaterialets funktioner

Kärnlagren ger:

• Mekanisk styrka
• Elektrisk isolering
• Kopparstöd
• Dimensionell stabilitet

Utan kärnor skulle flerskiktskretskort inte kunna behålla sin strukturella integritet under laminering och montering.

Vad är PCB-prepreg?

Prepreg är en förkortning för ”förimpregnerat” material.

Den består av glasfiberväv impregnerad med delvis härdat harts.

Till skillnad från kärnmaterialet befinner sig prepreg i ett halvhärdat tillstånd före lamineringen.

Under lamineringsprocessen av kretskort får värme och tryck hartset att flyta ut och härda fullständigt, vilket binder samman intilliggande skikt.

Ett prepreg-skikt består vanligtvis av:

• Glasfiberduk
• Delvis härdat epoxiharts
• Ingen kopparfolie

Dess främsta syfte är att skapa vidhäftning mellan kärnlagren.

Hur kärnan och prepreg-materialet samverkar

Ett flerskiktat kretskort består i huvudsak av en stapel kopparskikt som är åtskilda av kärnor och prepreg.

En typisk 4-lagers uppbyggnad kan till exempel se ut så här:

Koppar
Kärna
Koppar
Prepreg
Koppar
Kärna
Koppar

Under lamineringen:

1. Prepreget mjuknar.
2. Harts tränger in i springorna.
3. Lagren är sammanfogade.
4. Hartset härdar helt.
5. En enda styv struktur bildas.

Denna process skapar den flerskiktade kretskortstrukturen som används i modern elektronik.

Material för Common Core

Standard FR4-kärna

I de flesta flerlagers kretskort används FR4 som kärnmaterial.

Fördelarna inkluderar:

• Låg kostnad
• God mekanisk hållfasthet
• Stabila bearbetningsegenskaper
• Stort utbud

När det gäller elektronik för allmänna ändamål är FR4 fortfarande det vanligaste valet.

Ingenjörer som inte är bekanta med FR4:s egenskaper kan läsa mer i FR4-kretskortmaterial – en förklaring för ytterligare bakgrundsinformation.

Kärnmaterial med högt TG-värde

I tillämpningar där högre temperaturer förekommer används ofta kärnor med högt TG-värde.

Förmåner inkluderar:

• Förbättrad termisk stabilitet
• Minskad expansion längs Z-axeln
• Högre tillförlitlighet vid blyfri montering

Dessa material förekommer ofta i:

• Elektronik för fordonsindustrin
• Industriella kontroller
• Strömomvandlingssystem
• Servrar

Som diskuterats i Kretskort av FR4 med högt TG-värde, kan högre TG-värden avsevärt förbättra tillförlitligheten på lång sikt.

Material för höghastighetskärnor

I modern kommunikationsutrustning används ofta specialtillverkade kärnor med låga förluster.

Exempel på detta är:

• Megtron-serien
• Isola höghastighetsmaterial
• I-Speed-laminat
• FR4-system med låga förluster

Dessa material bidrar till att upprätthålla signalintegriteten vid höga dataöverföringshastigheter.

Vanliga typer av prepreg

Prepreg klassificeras vanligtvis efter typ av glasfiber och hartsinnehåll.

Vanliga glasfibermodeller är bland annat:

• 106
• 1080
• 2113
• 2116
• 7628

Varje modell har olika tjocklek och hartsegenskaper.

Prepreg med låg hartshalt

Erbjudanden:

• Förbättrad tjocklekskontroll
• Minskat hartsflöde
• Bättre dimensionsstabilitet

Används ofta i kretskort med många lager.

Prepreg med hög hartsandel

Innehåller:

• Förbättrad fyllningskapacitet
• Förbättrad vidhäftning
• Förbättrat dielektriskt avstånd

Används vanligtvis där det finns större kopparkomponenter.

Kärna och prepreg vid impedansreglering

En av de viktigaste funktionerna hos kärn- och prepregmaterial är impedanshantering.

Signalimpedansen beror på:

• Dielektricitetskonstant (Dk)
• Avstånd mellan skikten
• Koppartjocklek
• Spårgeometri

Tjockleken på kärnan eller prepreget påverkar direkt avståndet mellan signallagren och referensplanen.

Även små förändringar kan ha en betydande inverkan på värdena för kontrollerad impedans.

Av denna anledning måste konstruktion av skiktuppbyggnaden och materialvalet samordnas redan från projektets början.

Kommande diskussioner om dielektriska egenskaper kommer att behandlas i Dk- och Df-värden i PCB-material.

Materialval för flerlagers kretskort

Flera faktorer bör beaktas vid valet av kärn- och prepregmaterial.

Elektrisk prestanda

Tillämpningar som involverar höghastighetssignaler kräver stabila dielektriska egenskaper.

Termiska krav

Högre driftstemperaturer kan kräva system med hög TG.

Brädans tjocklek

Kombinationen av kärnmaterial och prepreg avgör kretskortets slutliga tjocklek.

Tillverkningskapacitet

Vissa material kräver specialanpassade lamineringsprofiler och bearbetningskontroller.

Överväganden om kostnader

Materialvalet bör utgå från prestandakraven snarare än att man väljer den högsta tillgängliga specifikationen.

Vanliga utmaningar vid laminering

Ett felaktigt materialval kan leda till flera tillverkningsproblem.

Brist på harts

Otillräckligt hartsflöde kan leda till hålrum eller svag vidhäftning.

För stort hartsflöde

För stor rörelse hos hartset kan förändra det dielektriska avståndet och påverka impedansen.

Delaminering

Dålig materialkompatibilitet kan leda till att skikten lossnar från varandra under termisk cykling.

Tjockleksvariation

Ett felaktigt val av prepreg kan leda till ojämn tjocklek på den färdiga skivan.

Erfarna tillverkare av kretskort beaktar dessa faktorer under utvecklingen av kretskortsuppbyggnaden för att minimera produktionsriskerna.

Varför materialkompatibilitet är viktigt

Kärn- och prepregmaterial köps ofta in från samma laminattillverkare.

Genom att anpassa materialsystemen kan man säkerställa följande:

• Jämn termisk expansion
• Pålitlig limning
• Stabil dielektrisk prestanda
• Förbättrad tillverkningsutbyte

Användning av material som inte är kompatibla med varandra kan medföra problem med tillförlitligheten under produktens livslängd.

VANLIGA FRÅGOR