Що таке міднофольгований ламінат (CCL)? Довідник із ламінатів PCB

Міднофольгований ламінат (copper clad laminate, CCL) — базовий матеріал для виготовлення друкованих плат. Він являє собою лист ізоляційного діелектрика (зазвичай склотканини, просоченої смолою), на один або обидва боки якого під дією температури й тиску нанесена мідна фольга. На виробництві друкованих плат топологію провідників експонують на цю мідь, витравлюють зайві ділянки та спресовують кілька таких ядер (cores) разом із препрегом у багатошарову структуру.

Ламінат визначає більшість експлуатаційних характеристик плати. Тип смоли та скловолокна задають температуру склування (Tg), теплове розширення плати, діелектричну проникність (Dk), тангенс кута втрат (Df) і стійкість до утворення струмопровідних містків (CTI). Заміна ламінату змінює ці параметри, навіть якщо файли Gerber залишаються ідентичними.

Нижче розглянуто склад міднофольгованого ламінату, його основні типи, критичні параметри для проєктування та правила зазначення вимог до матеріалу на кресленнях, щоб виключити неконтрольовану заміну на виробництві.

Ключові тези

Міднофольгований ламінат (CCL) — базовий матеріал для PCB: діелектричний сердечник із мідною фольгою. Препрег — це невідтверджений зв'язувальний шар, який використовують між сердечниками.
Більшість жорстких плат виготовляють із FR-4 CCL. Для специфічних теплових, електричних або механічних вимог застосовують High-Tg FR-4, матеріали з низькими втратами, PTFE та вуглеводневі RF-ламінати, поліімід і ламінати на металевій основі.
Основні параметри для порівняння: Tg, Td, CTE, Dk/Df на робочій частоті, CTI та тип мідної фольги. Коректно порівнювати значення з datasheet можна лише за умови збігу методів тестування та частоти.
Вказуйте ламінат за точним найменуванням продукту або за набором параметрів і чітко зазначайте, чи дозволені еквівалентні заміни.
Заміна ламінату є безпечною лише тоді, коли критичні для проєкту характеристики рівні або перевершують вихідні, а саму зміну зафіксовано документально.

З чого складається міднофольгований ламінат?

Міднофольгований ламінат складається з трьох основних компонентів.

Компонент	Що це таке	На що впливає
Армувальна основа	Склотканина для більшості жорстких ламінатів; папір або композит для бюджетних марок; відсутня у плівкових матеріалах на основі PTFE або полііміду	Механічна міцність, стабільність розмірів і частина діелектричних характеристик
Смоляна система	Епоксидна смола (FR-4), модифікована епоксидна смола, суміші поліфеніленового ефіру, вуглеводні, PTFE, поліімід або BT	Tg, Td, CTE, водопоглинання, Dk/Df, вогнестійкість
Мідна фольга	Тонкий мідний лист, припресований до поверхні; класифікується за вагою на одиницю площі (наприклад, 0.5 oz або 1 oz)	Товщина провідників, точність травлення, міцність на відрив і втрати в провіднику на високих частотах

Міднофольгований ламінат (CCL) та препрег

Ядро (core) — це повністю полімеризований ламінат із мідною фольгою з обох боків. Препрег ("pre-impregnated") — це склотканина, просочена смолою на стадії неповного отвердіння. Під час пресування багатошарової плати препрег плавиться, заповнює порожнини та полімеризується, склеюючи ядра та зовнішні шари мідної фольги в монолітну структуру. Готова багатошарова плата являє собою стек із ядер CCL та шарів препрегу.

Обидва матеріали належать до однієї лінійки. Задаючи специфікацію ламінату, зазвичай вказують ядро разом із відповідним типом препрегу.

Мідна фольга на CCL

Фольга маркується за вагою. У каталозі stackup компанії APT базова мідь 0.5 oz відповідає товщині 0.0175 mm, а 1 oz — 0.035 mm; для силових плат застосовують більшу товщину. Зовнішні шари зазвичай формують із тоншої базової фольги, а потім нарощують гальванічним осадженням до потрібної товщини.

Профіль поверхні фольги також критичний. Шорсткіша фольга забезпечує кращу адгезію до смоли. Гладша низькопрофільна фольга знижує втрати в провідниках на мультигігабітних і RF-частотах. Для схем на частотах понад кілька гігагерців тип фольги слід вказувати у вимогах до матеріалів разом із назвою ламінату.

Типи міднофольгованих ламінатів

Нижче наведено основні типи міднофольгованих ламінатів, з яких розробник обирає базовий матеріал для друкованої плати. Наведені значення відповідають даним зі сторінок матеріалів і виробничих можливостей APT; повні умови випробувань дивіться у даташитах виробників.

Тип CCL	Структура	Значення за специфікацією APT	Типове застосування	Ризик заміни аналогом
Стандартний FR-4	Склотканина та епоксидна смола	Стандартна Tg 135 °C	Споживча та загальна електроніка, мала кількість шарів	Низький, за умови збігу Tg та допуску на товщину
Mid-Tg FR-4	Модифікована епоксидна смола	Середня Tg 150 °C	Промислове обладнання, помірна кількість циклів пайки оплавленням	Від низького до помірного
High-Tg FR-4	Багатофункціональна епоксидна смола або смола фенольного тверднення	Ламінати з Tg 170–210 °C та Td ≥340 °C; Dk ≈4.0 для поширених марок на кшталт 370HR та IT-180A	Товсті багатошарові плати, багаторазова безсвинцева пайка оплавленням, автомобільна та промислова електроніка	Помірний; Td, CTE та стійкість до CAF відрізняються між продуктами з однаковою Tg
Low-loss / високошвидкісні	Модифіковані полімерні системи, часто з низькопрофільною фольгою	Megtron 4: Dk 3.6, Df 0.005 на 1 GHz; Megtron 6: Dk 3.4, Df 0.002 на 1 GHz	Цифрові канали зі швидкістю 10–25 Gbps і вище, крос-плати (backplanes)	Високий; відхилення Dk та Df змінюють імпеданс і втрати
Вуглеводневі / RF з керамічним наповнювачем	Термореактивний вуглеводень із керамічним наповнювачем	RO4003C: Dk 3.38; RO4350B: Dk 3.48 на 10 GHz (значення за стандартним методом випробувань)	Вхідні RF-каскади, антени, радари	Високий; допуск Dk та рівень втрат закладаються безпосередньо в розрахунок схеми
PTFE	PTFE зі скловолоконним або керамічним наповнювачем	RT/duroid 5880: Dk 2.20, Df 0.0009	НВЧ та мм-діапазон (mmWave)	Дуже високий; параметри обробки та Dk відрізняються залежно від марки
Поліімід (гнучкі)	Поліімідна плівка з міддю, з адгезивом або безадгезивна	Залежить від конкретного матеріалу	Гнучкі та гнучко-жорсткі плати	Високий; ресурси на вигин і тип адгезивної системи
На металевій основі (IMS)	Тонкий теплопровідний діелектрик на алюмінієвій або мідній основі	Залежить від продукту; теплове значення залежить від методу тестування	Світлодіодні модулі та силова електроніка	Високий; теплове навантаження та номінальна напруга пробою

Показники Dk для матеріалів Rogers наочно демонструють критичність умов тестування. На сторінці матеріалів Rogers компанії APT зазначено як результат випробувань затиснутої смужкової лінії (3.48 для RO4350B на 10 GHz), так і окреме значення «розрахункового Dk» (design Dk) для польових симуляторів (3.66). Сам матеріал однаковий — відрізняється лише методика вимірювання.

Властивості CCL: Tg, Dk/Df, CTI

Tg та Td

Tg — це температура, за якої смола переходить із твердого склоподібного стану в м'який високоеластичний. Вище Tg ламінат розширюється за товщиною значно швидше, що створює механічне напруження в металізованих отворах. Td — це температура, за якої починається термічна деструкція смоли зі втратою маси. Для безсвинцевого монтажу з кількома циклами оплавлення критичні обидва параметри. На сторінці APT про high-Tg PCB рекомендовано вказувати у специфікації ламінату Tg, Td, CTE (x, y, z) та CTI в комплексі, а не обмежуватися лише значенням Tg.

Dk та Df

Dk (діелектрична проникність) визначає швидкість поширення сигналу та, разом із геометрією провідників, його імпеданс. Df (коефіцієнт розсіювання, або тангенс кута діелектричних втрат) показує, яка частка енергії сигналу розсіюється у вигляді тепла. Обидва параметри залежать від частоти, вмісту смоли та структури склотканини. Для плат із контрольованим імпедансом значення Dk у польовому симуляторі (field solver) має точно відповідати параметрам ламінату у готовому виробі. З цієї причини зміна ламінату зміщує імпеданс навіть за повної ідентичності геометрії міді.

CTI

Порівняльний індекс трекінгостійкості (CTI) показує здатність поверхні ламінату протистояти утворенню струмопровідних містків під дією напруги та поверхневих забруднень. Параметр критичний для мережевих і високовольтних виробів, де довжини шляхів витоку нормуються стандартами безпеки. На сторінці APT про high-Tg наведено варіанти з CTI ≥ 600 для виробів із жорсткими вимогами до електробезпеки. Якщо стандарт безпеки вимагає певної групи матеріалу, фіксуйте вимогу до CTI безпосередньо у специфікації на виготовлення друкованої плати.

Інші критичні характеристики

CTE за віссю Z, вологопоглинання, стійкість до CAF, клас горючості та вміст галогенів часто стають вирішальними параметрами для конкретного пристрою. Два матеріали з однаковою Tg можуть мати суттєво різні показники за цими характеристиками.

Як вибрати ламінат PCB

Вибирайте сімейство матеріалів за найжорсткішою вимогою проєкту, а конкретну марку — за рештою параметрів.

Швидкість сигналу або частота. Якщо плата містить мультигігабітні лінії або RF-тракти, вирішальними є діелектричні втрати та стабільність Dk. Для коротких низькошвидкісних ліній зазвичай достатньо стандартного FR-4.
Теплове навантаження. Враховуйте кількість циклів пайки оплавленням, повторну пайку (rework) та робочу температуру. Товсті багатошарові плати з кількома циклами безсвинцевого оплавлення зазвичай потребують матеріалів класу high-Tg.
Напруга та безпека. Для мережевих, високовольтних кіл або конструкцій з обмеженнями щодо шляхів струму витоку потрібен відповідний CTI або група ізоляційного матеріалу згідно зі стандартами безпеки.
Механічні вимоги. Вимоги щодо гнучких (flex), гнучко-жорстких (rigid-flex) або плат на металевій основі вимагають переходу на принципово інші сімейства діелектриків.
Доступність і вартість. Деякі ламінати є стандартними складськими позиціями, інші мають тривалий термін постачання. Гібридний stackup із матеріалами з низькими втратами лише на критичних шарах допомагає зменшити загальну вартість.

Детальні критерії переходу з FR-4 на RF-матеріали, металеві, керамічні чи гнучкі основи описані в посібнику з вибору матеріалів для PCB. Для вибору матеріалу в межах лінійки одного постачальника класифікацію марок за значеннями Tg та рівнем втрат наведено в огляді ламінатів Kingboard для PCB.

Вказівка ламінату PCB на кресленні

Задати ламінат можна двома способами, і на кресленні слід чітко зазначити обраний підхід:

За торговою маркою. Наприклад, «Isola 370HR» або «Rogers RO4350B». Це виключає двозначність, але позбавляє виробника можливості використати еквівалент у разі браку матеріалу на складі.
За набором характеристик. Наприклад, мінімальні Tg та Td, діапазон Dk/Df на заданій частоті, вимоги до CTI, клас займистості та позначка halogen-free за потреби. Такий підхід допускає використання аналогів, але працює лише тоді, коли перелічені параметри дійсно є критичними для проєкту.

В обох випадках обов'язково вказуйте:

Товщину готової плати та допуск
Товщину міді (copper weight) на кожному шарі
Чи дозволено формулювання «або еквівалент», і хто погоджує заміну
Номер специфікації IPC-4101 (specification sheet), якщо на неї є посилання
Тип фольги, якщо він критичний для втрат або імпедансу

На сторінці APT FR4 PCB наведено варіанти FR-4, що постійно перебувають у виробництві: стандартний Tg 135 °C, mid-Tg 150 °C, high-Tg 170/180 °C та матеріали з низькими втратами, як-от 370HR, IT-180A, EM-370 і S1000H. Пряма вказівка одного з цих найменувань скорочує час на погодження матеріалу.

Коли допустима заміна ламінату

Заміна матеріалу відбувається, коли зазначений у специфікації ламінат недоступний у потрібні строки або виробник пропонує дешевший еквівалент. Вона припустима лише за умови, що альтернатива відповідає або перевершує всі критичні для вашого виробу параметри, а саму зміну офіційно погоджено та задокументовано.

Перед затвердженням заміни дайте відповідь на такі питання:

Чи є значення Tg, Td та CTE по осі z такими самими або кращими?
Якщо плата вимагає контролю імпедансу, чи достатньо близьке значення Dk на робочій частоті, щоб розрахований stackup забезпечив цільовий опір? Чи перерахує виробник структуру та чи перевірить її на купонах?
Якщо рівень втрат критичний, чи є Df таким самим або нижчим на вашій частоті, і чи використовується аналогічний тип фольги?
Чи відповідають CTI, клас займистості та безгалогеновий статус вимогам, особливо якщо виріб підлягає обов'язковій сертифікації з безпеки?
Чи доступні необхідні товщини кожного core та prepreg, щоб зберегти фінальну товщину плати?
Чи буде внесено запис про заміну до виробничого листа (traveler) та сертифіката відповідності?

Якщо бодай на один із критичних пунктів немає ствердної відповіді, наполягайте на використанні початкового матеріалу або проводьте повну повторну кваліфікацію. Плата, яка пройшла електричне тестування на заводі, все одно може відмовити в реальних умовах експлуатації через нижчу Td або гіршу стійкість до CAF альтернативного ламінату.

Що надати для аналізу ламінату PCB

Найменування ламінату або перелік необхідних характеристик і дозвіл на застосування еквівалентів
Stackup із товщиною core та prepreg, вагою міді та підсумковою товщиною плати
Цільові значення імпедансу та робочу частоту
Кількість циклів reflow, тип профілю пайки та діапазон робочих температур
Вимоги до робочої напруги, довжини шляху витоку (creepage) або стандартів безпеки, що впливають на CTI
Вимоги до випробувань на надійність (наприклад, термоудар, T260/T288 або CAF)

Чому вибір ламінату варто узгоджувати з APTPCB?

APT перевіряє ламінат разом зі stackup перед запуском у виробництво, тому імпеданс, кінцева товщина плати та теплові вимоги розраховуються під матеріал, який фактично є в наявності. Для проектів на базі FR-4 команда з виробництва FR4 PCB підтвердить, який клас матеріалу підходить — стандартний, mid-Tg, high-Tg чи low-loss, а прямі контракти APT на постачання охоплюють стандартний, high-Tg та low-loss FR-4. Для матеріалів із низькими втратами та RF-ламінатів перелік доступних у виробництві серій наведено у каталозі матеріалів. Будь-яка пропозиція щодо заміни матеріалу узгоджується через інженерний запит до початку виробництва, а не після нього.

Профільні стандарти та нормативні документи:

IPC-4101: специфікація базових матеріалів для жорстких і багатошарових друкованих плат
IPC-4103: специфікація базових матеріалів для високошвидкісних і високочастотних застосувань
IPC-4204: гнучкі фольговані діелектрики для гнучких друкованих плат
IPC-TM-650: посібник із методів випробувань (Tg, Td, Dk/Df, міцність на відшарування)
IPC-6012: кваліфікація та експлуатаційні характеристики жорстких друкованих плат

Часті запитання

Для чого використовується міднофольгований ламінат?

Міднофольгований ламінат є базовою сировиною для друкованих плат. Виробник PCB формує з мідної фольги провідники та контактні площадки, після чого пресує ядра (cores) разом із препрегом (prepreg) для виготовлення багатошарових плат. Практично кожна жорстка та гнучка друкована плата починається з міднофольгованого ламінату.

Чи є FR-4 тим самим, що й міднофольгований ламінат?

FR-4 — це клас матеріалу на основі склотканини та вогнестійкої епоксидної смоли, а міднофольгований ламінат FR-4 є найпоширенішим типом CCL. В інших міднофольгованих ламінатах використовують відмінні смоли та армувальні основи, такі як PTFE, вуглеводнева кераміка (hydrocarbon), поліімід або металева основа.

У чому різниця між ядром (core) і препрегом (prepreg)?

Ядро (core) — це повністю полімеризований ламінат із закріпленою мідною фольгою з обох боків. Препрег (prepreg) — це склотканина, просочена частково полімеризованою смолою без мідного шару. Під час багатошарового ламінування препрег плавиться і полімеризується, склеюючи ядра та зовнішні шари фольги в єдину монолітну структуру.

Які характеристики мають найбільше значення при виборі ламінату PCB?

Оцінку починають із Tg та Td для перевірки термостійкості, Dk та Df на робочій частоті для контролю поведінки сигналу, CTE для надійності металізованих отворів і CTI для високовольтних виробів. Порівнюйте значення лише за умови ідентичних методів випробувань та однакової частоти.

Чи може виробник замінити ламінат на інший?

Лише якщо це дозволено вашою документацією. Якщо у вимогах зазначено конкретний матеріал із можливістю еквівалентної заміни, аналог повинен відповідати або перевершувати кожну критичну для проєкту характеристику, а саму заміну необхідно узгодити та зафіксувати. Для плат із контрольованим імпедансом зазвичай потрібен повний перерахунок stackup під новий матеріал.

Яка товщина міді на міднофольгованому ламінаті?

Товщина міді визначається вагою на одиницю площі. У каталозі stackup компанії APT базова фольга 0.5 oz відповідає товщині 0.0175 mm, а 1 oz — 0.035 mm; для силових плат доступні більші номінали. Зовнішні шари найчастіше нарощують гальванічним осадженням із тоншої вихідної фольги.

Чекліст для запиту вартості міднофольгованого ламінату

Використовуйте цей перелік під час запиту комерційної пропозиції на CCL або ламінат для багатошарових плат у постачальника матеріалів чи виробника друкованих плат.

Базовий матеріал: FR-4, High-Tg, Rogers, Megtron, PTFE або Hybrid (вказати марку та лінійку)
Значення Tg: 135 / 150 / 170 / 180+ °C (вказати потрібне)
Значення Td: рекомендовано ≥320 °C (вказати мінімальне значення, якщо відрізняється)
Dk та Df на робочій частоті: вказати значення та тестову частоту (1 GHz / 10 GHz / інша)
CTI (Comparative Tracking Index): PLC 0–5 або діапазон напруги
Товщина міді внутрішніх шарів: HOZ, H1, H2 або H3 (вказати потрібну)
Товщина міді зовнішніх шарів після металізації: вказати в oz або µm
Номер або марка препрегу (вказати)
Тип склотканини: 106 / 1080 / 2116 / 7628 або інший
Номер специфікації IPC-4101 (slash sheet) та клас горючості UL94
Вимоги щодо відповідності RoHS та REACH: Так / Ні
Вимоги до симетрії stackup (вказати допуск за наявності)

Ламінат є частиною проєкту

Міднофольгований ламінат — це не просто базовий матеріал, який завод може вільно змінювати на власний розсуд. Параметри Tg, Dk, Df, CTI та тип фольги є такими ж розрахунковими параметрами конструкції, як ширина провідників чи кількість шарів. Обирайте сімейство матеріалу за найжорсткішою вимогою, фіксуйте конкретну марку або набір характеристик на кресленні та заздалегідь визначайте, які заміни є допустимими.