In un PCB multistrato rigido convenzionale, il core è un laminato polimerizzato, normalmente fornito con rame su una o entrambe le facce. Il prepreg è un rinforzo impregnato di resina parzialmente polimerizzata. Durante la laminazione, il prepreg unisce gli strati adiacenti e diventa parte dell'isolamento finito. I due materiali operano insieme: la scelta dell'uno non elimina la necessità di progettare lo stackup completo.
La distinzione assume rilevanza pratica quando un disegno specifica una particolare distanza dielettrica, uno spessore finito o un'impedenza. Lo spessore di un foglio di prepreg prima della pressatura non coincide automaticamente con quello del suo strato dielettrico finito. Richiedere la struttura pressata proposta e verificarla rispetto ai requisiti elettrici, meccanici e di approvvigionamento della scheda.
Per una panoramica più ampia delle famiglie di laminati, consultare che cos'è un laminato rivestito in rame. L'articolo sulla progettazione dello stackup PCB affronta il problema più generale dell'ordine degli strati e della progettazione. Qui l'attenzione è rivolta al materiale tra questi strati e a ciò che occorre verificare prima del rilascio.
La sezione rappresenta una struttura concettuale con lamine di rame, non un disegno di fabbricazione né un'immagine in scala. Gli strati di rame esterni sono 1 e 7, le regioni di prepreg sono 2 e 6, gli strati di rame interni sono 3 e 5 e il core centrale polimerizzato è 4. Le proprietà finali dipendono dai materiali e dal processo effettivamente impiegati.
Qual è la differenza prima della pressatura?
In una comune struttura per schede rigide, il core si presenta inizialmente come un laminato dielettrico polimerizzato con rame ad esso aderente. Il fabbricante può trasferire il disegno su quel rame e inciderlo per formare i circuiti degli strati interni prima di integrarlo in uno stackup multistrato. Il termine «core» descrive il suo ruolo nella struttura; non identifica il sistema di resina, non garantisce uno spessore specifico e non significa che tutte le schede utilizzino lo stesso numero di core.
Prepreg significa rinforzo preimpregnato. Nei materiali termoindurenti rinforzati con vetro qui considerati, il tessuto contiene resina parzialmente polimerizzata. Il prepreg viene disposto tra superfici adiacenti e sottoposto a calore e pressione. La resina fluisce e polimerizza mentre gli strati vengono uniti. La Isola 370HR Processing Guide descrive il prepreg allo stato di fornitura e il laminato completamente polimerizzato per quella specifica famiglia di materiali; altri materiali e sistemi di incollaggio richiedono la propria documentazione.
Definire il prepreg una «colla» è una comoda semplificazione, ma incompleta. Il materiale diventa anche parte del dielettrico tra gli strati conduttivi. La sua composizione e la sua geometria finale sono importanti per la progettazione elettrica e meccanica. Allo stesso modo, «core» non è sinonimo di rame: il dielettrico e il suo rivestimento in rame sono parti distinte del laminato.
| Domanda | Core polimerizzato | Prepreg prima della laminazione |
|---|---|---|
| Che cosa viene fornito per la realizzazione? | Laminato polimerizzato, comunemente rivestito in rame; il rame può essere inciso per formare uno strato interno. | Rinforzo contenente resina parzialmente polimerizzata, fornito come materiale di unione. |
| Qual è il suo contributo? | Una struttura laminata definita e, dove è presente il rivestimento, una superficie per i circuiti. | Unione e materiale dielettrico tra superfici adiacenti dopo la pressatura. |
| Che cosa dovrebbe verificare il progettista? | Identità del materiale, struttura dielettrica, rame e spessore allo stato di fornitura. | Identità del materiale, struttura degli strati di prepreg, spessore dielettrico finale e compatibilità con la struttura. |
| Che cosa dimostra il solo nome? | Né lo spessore finale della scheda né la qualificazione del prodotto. | Né lo spessore dopo pressatura, né l'impedenza finale, né l'assenza di vuoti. |
Queste descrizioni riguardano i comuni multistrato rigidi rinforzati con vetro. Le strutture flessibili, le schede a base metallica e i film di incollaggio speciali possono utilizzare materiali o terminologia diversi. Richiedere la struttura effettiva anziché ricondurre forzatamente questi prodotti a tale modello semplificato.
Come leggere una struttura a quattro strati
Nell'illustrazione, gli strati 3 e 5 sono le facce in rame di un core centrale. Dopo aver inciso il disegno sul rame interno, si dispone il prepreg all'esterno del core e si aggiunge una lamina di rame su ciascun lato. La pila viene laminata per formare un'unica scheda. Un PCB finito a quattro strati ha quindi quattro strati conduttivi, anche se nelle descrizioni dei materiali si contano anche core, strati di prepreg e lamine di rame.
In una stessa regione dielettrica può essere presente più di un foglio di prepreg. Un disegno che indica «due strati di prepreg» identifica una scelta costruttiva; non significa che uno dei due strati conservi il proprio spessore nominale originario nella scheda finita. Non significa neppure che tutte le schede a quattro strati debbano utilizzare la struttura illustrata. L'ordine degli strati, la distribuzione del rame, la disponibilità dei materiali e il processo del fabbricante influenzano tutti la struttura proposta.
Quando si esamina uno stackup, seguire i numeri degli strati di rame dall'alto verso il basso. Identificare il dielettrico tra ogni coppia e distinguere lo spessore del rame finito da quello della lamina iniziale, quando la placcatura o la lavorazione modificano gli strati esterni. Per le strutture controllate, identificare lo strato di segnale effettivo e il relativo strato di riferimento. Il solo spessore totale non permette di stabilire quanto disti una traccia dal proprio piano di riferimento.
Perché lo spessore dopo pressatura è un requisito distinto?
La resina del prepreg deve unire le superfici adiacenti e adattarsi alle geometrie di rame presenti nella pila. Il dielettrico finito è influenzato dalla struttura del materiale, dal flusso della resina, dal disegno del rame adiacente e dal processo di laminazione selezionato. Un valore tratto dalle specifiche di un foglio non pressato non è quindi un sostituto affidabile di uno stackup pressato concordato.
Si consideri una scheda ipotetica con un requisito di spessore complessivo determinato dal suo involucro e un segnale controllato su uno strato esterno. Il progettista riceve uno stackup proposto con lo spessore complessivo corretto, ma il dielettrico sotto quel segnale è più spesso di quanto ipotizzato nel tracciamento originale. Entrambi i disegni possono riportare «quattro strati», ma la geometria del segnale non è più la stessa. La risposta appropriata è esaminare con il fabbricante lo stackup effettivo e il calcolo dell'impedenza, non presumere che la scheda sia accettabile perché il suo spessore totale corrisponde al requisito.
È possibile anche il contrario: la distanza locale può soddisfare il progetto elettrico mentre la somma degli strati finiti non soddisfa il requisito meccanico. Chiedere al fabbricante quali valori sono nominali, quali tolleranze sono offerte e come saranno verificate. Lo spessore della scheda, lo spessore dei singoli dielettrici e l'impedenza sono aspetti di accettazione correlati ma distinti.
Non calcolare uno strato finale sommando i valori nominali degli strati di prepreg non pressati e trattando la somma come un risultato garantito. Tale operazione può fornire una stima preliminare, ma non può modellare la pressatura effettiva, la percentuale di rame, il flusso della resina e gli altri dettagli costruttivi. Lo stackup di fabbricazione approvato è il documento appropriato da trasmettere per un ordine specifico.
Che cosa comporta la scelta del materiale per impedenza e perdite?
L'impedenza di una traccia dipende dalla sua geometria e dal dielettrico circostante, inclusi la larghezza della traccia, lo spessore del rame, la distanza dai conduttori di riferimento e le proprietà dielettriche utilizzate nel calcolo. La sola indicazione core/prepreg non costituisce un obiettivo di impedenza. Il prepreg non è automaticamente inadatto all'impedenza controllata e un core polimerizzato non la garantisce automaticamente.
Le schede tecniche dei materiali sono dati di ingresso utili, ma i valori di costante dielettrica e di perdita devono essere letti tenendo conto della frequenza, del metodo e della struttura indicati. Per esempio, la scheda tecnica Isola 370HR, Revision E, riporta una costante dielettrica tipica di 4.17 a 1 GHz, misurata secondo IPC-TM-650 2.5.5.9. Si tratta di un esempio valido alle condizioni indicate per il prodotto specificato, non di un valore universale per FR-4, di un valore di progetto per ogni stackup o di una prova dell'impedenza di un PCB finito. Richiedere i dati appropriati alla struttura proposta e il metodo di calcolo utilizzato per la commessa.
Se il progetto specifica un'impedenza controllata, indicare le tracce o le reti interessate, il valore obiettivo e la tolleranza, gli strati di riferimento ed eventuali requisiti concordati relativi alla misurazione o al coupon di prova. L'articolo sui PCB a impedenza controllata approfondisce la documentazione elettrica da trasmettere. Il superamento di una verifica concordata su coupon aiuta a valutare la struttura specificata; da solo non convalida ogni canale, connettore o sistema completo.
Le perdite costituiscono un'altra questione distinta. Due materiali con una costante dielettrica simile possono presentare comportamenti diversi in termini di perdite; anche la lamina di rame e la geometria dei conduttori sono importanti. Se per un canale è previsto un budget di perdita, concordare con i team di progettazione e fabbricazione i dati dei materiali applicabili, la struttura e l'approccio di convalida. Non presumere che un core presenti sempre perdite inferiori a quelle del prepreg solo perché la sua resina è stata polimerizzata prima.
Il core e il prepreg devono essere dello stesso materiale?
Devono formare una struttura appropriata e realizzabile; questo non significa che si possano indicare nel disegno due prodotti qualsiasi e presumere con sicurezza che siano compatibili. Una famiglia di materiali può offrire sia laminati sia prepreg destinati a operare insieme. Alcuni progetti combinano sistemi di materiali diversi, ma la combinazione proposta e la relativa lavorazione devono essere esaminate per la specifica realizzazione.
Partire dalle proprietà effettivamente necessarie al prodotto. L'articolo sulle proprietà del materiale FR-4 spiega perché Tg, comportamento alla decomposizione, proprietà dielettriche e altri dati non possano essere ridotti al nome di una singola classe. In una struttura mista, chiedere anche quale dielettrico si trovi accanto a ciascun segnale critico, quale lamina di rame sia proposta e se la combinazione di materiali influisca sulla sequenza di fabbricazione o sul piano di qualificazione.
Un equivalente proposto da un fornitore è una richiesta di modifica, non una semplice variazione di denominazione. Confrontare i materiali esatti del laminato e di unione, le relative schede tecniche, lo stackup aggiornato e l'effetto sulle caratteristiche controllate. L'autorità responsabile del progetto dovrebbe decidere se siano necessari ulteriori analisi, campioni o prove sul prodotto. Valori di Tg simili non stabiliscono da soli l'equivalenza e un'alternativa approvata per un prodotto non è automaticamente approvata per un altro.
Una verifica pratica prima di approvare lo stackup
Supponiamo che un ingegnere richieda una scheda sottile a quattro strati per un connettore e necessiti di impedenza controllata su reti selezionate. Un addetto agli acquisti riceve due proposte con lo stesso spessore della scheda finita. Una identifica il core, le regioni dielettriche e le strutture a impedenza controllata; l'altra riporta soltanto «FR-4, quattro strati». Non sono ancora descrizioni equivalenti della struttura.
Per prima cosa, verificare la compatibilità dello spessore e della tolleranza della scheda con i disegni del connettore e dell'involucro. Confrontare poi la tabella dei materiali e degli strati con il progetto: quali strati di rame sono di segnale, quali sono di riferimento e quale distanza dielettrica finale è proposta per ciascuna struttura controllata? Verificare se il valore obiettivo di impedenza, la tolleranza e la verifica concordata siano inclusi in entrambe le offerte. Infine, stabilire se un materiale alternativo o una modifica della struttura degli strati di prepreg richiedano un'approvazione scritta prima della produzione.
Questa è una verifica ipotetica, non una realizzazione misurata o un caso cliente. Nessuna delle due proposte dovrebbe essere accettata o rifiutata sulla base delle sole brevi descrizioni. Le informazioni mancanti sono un motivo per porre domande, non una prova di un difetto né una previsione dei costi.
| Se la proposta indica... | Chiarire prima del rilascio |
|---|---|
| «FR-4 o equivalente» | Quali laminato e prepreg sono proposti, quali proprietà sono importanti e chi approva le sostituzioni? |
| «Quattro strati, spessore totale specificato» | Quali sono l'ordine degli strati, le distanze dielettriche finali, le ipotesi relative al rame e le tolleranze? |
| «Impedenza controllata» | Quali reti e strati di riferimento, valore obiettivo e tolleranza, coupon o altra verifica concordata e ambito del rapporto? |
| «Due strati di prepreg» | Quali struttura e spessore previsto dopo pressatura sono proposti per questo disegno del rame? |
| «Come l'ultimo ordine» | A quali revisione approvata, struttura dei materiali e registrazione del controllo delle modifiche si riferisce? |
Per una richiesta di preventivo o una discussione sullo stackup, fornire l'ordine degli strati, i dati e il disegno di fabbricazione, lo spessore e la tolleranza della scheda finita, i requisiti relativi al rame, le reti controllate ed eventuali vincoli sui materiali o sulle approvazioni. Il fabbricante può quindi esaminare la fattibilità e proporre una struttura; il team di prodotto rimane responsabile della qualificazione a livello di sistema. Consultare i servizi di fabbricazione PCB per informazioni correlate sulla produzione, richiedere un preventivo specifico per il progetto oppure contattare il team per chiarire la documentazione da trasmettere.
Che cosa va conservato insieme ai file rilasciati?
Conservare la revisione approvata dello stackup insieme al disegno di fabbricazione e ai file di progetto, indicando quale documento prevale in caso di conflitto. La documentazione dovrebbe riportare le designazioni dei materiali, la sequenza degli strati, le ipotesi pertinenti relative al dielettrico e al rame, lo spessore finito, i requisiti di impedenza controllata e le sostituzioni approvate. Concordare separatamente le evidenze di ispezione e la loro conservazione quando il progetto lo richiede.
Se il progetto o la fornitura cambiano, confrontare la nuova proposta con la revisione approvata prima della fabbricazione. Una modifica della struttura del prepreg può influire contemporaneamente su diversi requisiti: distanza locale, spessore complessivo, disponibilità dei materiali e analisi utilizzata per il calcolo dell'impedenza. Esaminare insieme questi effetti e registrare la decisione, anziché modificare una riga di un foglio di calcolo senza verificare il resto della scheda.
Per i materiali utilizzati, consultare la scheda tecnica aggiornata e la documentazione di processo del produttore del materiale per il prodotto esatto. Lo stackup proposto dal fabbricante e l'accordo specifico per l'ordine definiscono la struttura da esaminare; né un articolo generico né una scheda tecnica, da soli, costituiscono un piano di accettazione della scheda finita.