Prepreg, de afkorting voor pre-impregnated composite fibres, is een essentieel materiaal bij de productie van meerlagige printplaats. Het wordt echter vaak over het hoofd gezien in vergelijking met de meer zichtbare PCB-componenten Zoals kopersporen en een soldeermasker. Dit artikel licht de sluier op over dit essentiële onderdeel van de constructie van meerlaagse printplaten. We onderzoeken wat prepreg is, hoe het gemaakt wordt, de belangrijkste materiaaleigenschappen, veelvoorkomende soorten, overwegingen met betrekking tot de dikte en meer. Lees verder voor een beter begrip van PCB-prepreg!
Wat is Prepreg in PCB's?
Prepreg bestaat uit dun glasvezeldoek dat is geïmpregneerd met een speciaal samengesteld epoxyharssysteem. De hars is gedeeltelijk uitgehard tot een kleverig, stevig plaatmateriaal, een zogenaamde B-stage prepreg. Dit zorgt ervoor dat de hars vloeit en hecht tijdens het lamineren, zonder dat het volledig is uitgehard en vast is. Prepreg-vellen worden afwisselend met koperfolielagen gestapeld. De meerlaagse lay-up wordt onder hitte en druk gelamineerd, waardoor de prepreg-hars vloeit en de lagen verbindt tot een solide gelamineerde printplaat. De prepreg biedt uitstekende diëlektrische eigenschappen en hechting tussen de circuitlagen. En omdat prepreg een nauwkeurige dikte heeft, maakt het printplaten mogelijk met nauwkeurig gecontroleerde diëlektrische laagafstanden.
Hoe worden prepregs gemaakt?
- Selectie en voorbereiding van het wapeningsmateriaal: De wapening bestaat meestal uit een geweven glasvezelmat of -doek. Deze moet worden gereinigd en voorbereid voor een goede hechting en impregnering met hars.
- Het mengen van het harssysteem: Het harssysteem bestaat doorgaans uit epoxyhars, verharders, katalysatoren, vlamvertragers en andere additieven. Deze componenten worden afgemeten en grondig gemengd.
- Impregneren van de wapening: Het harsmengsel wordt gebruikt om de geweven glaswapening te impregneren, meestal door de stof in de hars te dompelen of door een proces zoals hotmeltcoating te gebruiken. Hierdoor dringt de hars volledig door in het weefsel.
- Gedeeltelijke uitharding: Het geïmpregneerde materiaal ondergaat vervolgens een gedeeltelijke uithardingsstap, vaak met behulp van warmte. Deze fase is de b-fase van de hars, wat betekent dat deze niet volledig is uitgehard, maar zich in een kleverige, vaste toestand bevindt.
- Behandelen: De prepreg kan aanvullende behandelingen ondergaan, zoals persen om een consistente dikte te bereiken of het toevoegen van beschermfolies.
- Verpakking: De prepreg wordt meestal tussen beschermfolie of -papier aangebracht en kan in vellen of rollen worden gesneden. Dit beschermt het materiaal en maakt het gemakkelijker te hanteren.
- Bewaring: Prepregs worden bevroren of gekoeld bewaard om extra uitharding te voorkomen voordat ze in de winkel worden gebruikt. PCB-fabricageHierdoor blijft de houdbaarheid behouden.
- Gebruik: Zodra de prepreg-lagen klaar zijn voor de PCB-fabricatie, worden ze ontdooid, gelamineerd met koperfolies en volledig uitgehard onder hitte en druk.
Aanbod van PCB Prepreg-materialen
Prepreg-materialen hebben een aantal eigenschappen die hun prestaties en toepasbaarheid bepalen:
Harssysteem – De epoxyformule bepaalt de belangrijkste eigenschappen zoals hars Tg, diëlektrische constante/verlies, thermische stabiliteit, vochtopname en Z-as CTEPopulaire systemen zijn onder meer FR-4, hoge-Tg en halogeenvrij.
Glasvezelweefsel – Standaard 106 en 7628 glassoorten bieden de beste balans tussen eigenschappen. Dichtere weefsels verbeteren de ponsprestaties, maar verminderen de harsbelasting.
Harsgehalte – Meestal tussen de 45 en 55%. Een hoger harsgehalte zorgt voor een betere vulling, maar verhoogt de diëlektrische constante. Een lager harsgehalte vergemakkelijkt het ponsen.
Grootte en belading van vulstofdeeltjes – Vulstoffen zoals silica verlagen de CTE, maar verhogen de diëlektrische constante en het verlies. Grotere deeltjes verbeteren de lamineerstroom, terwijl kleinere deeltjes de uitval van de vulstof verminderen.
Drape en Tack – Controleerbare eigenschappen die de prepreg-behandeling en de laag-op-laag-registratie bepalen.
Vloei/Vullen – De smeltviscositeit tijdens het lamineren heeft invloed op de vulprestaties, vooral bij fijne kenmerken.
Soorten PCB-prepreg
FR4 Prepreg
FR-4 is het standaard, universele prepregmateriaal dat voor de meeste PCB-productie wordt gebruikt. Het maakt gebruik van een gebromeerde epoxyhars, versterkt met geweven glasvezel, die een goede balans biedt tussen verwerkingsgemak, maatvastheid, thermische prestaties, diëlektrische eigenschappen en kosten. FR-4 prepreg heeft een typische glasovergangstemperatuur tussen 130 en 140 °C.
Hoge Tg Prepreg
Prepreg met hoge Tg maakt gebruik van gespecialiseerde epoxyharssystemen om glasovergangstemperaturen van 170 °C of hoger te bereiken. Dit voldoet aan de eisen van zeer betrouwbare PCB's die worden gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, defensie en andere extreme omgevingen. De zeer thermisch stabiele harsen zijn bestand tegen solderen, gloeien en andere processen tot 230-290 °C. Prepregs met hoge Tg bieden verbeterde thermische en mechanische prestaties, maar zijn duurder dan standaard FR-4.
Halogeenvrije Prepreg
Halogeenvrije prepregs maken gebruik van harssystemen die geen broom of andere halogenen bevatten die bij verbranding gevaarlijke bijproducten kunnen genereren. Populaire halogeenvrije harssystemen zijn onder andere bismaleïmidetriazine (BT) epoxy, cyanaatester en gemodificeerde epoxy. Halogeenvrije prepregs bieden milieuvoordelen, maar zijn ook duurder en complexer in de verwerking dan standaard FR-4.
Hoge snelheid Prepreg
Hogesnelheidsprepreg maakt gebruik van speciaal ontwikkelde harssystemen om stabiele diëlektrische eigenschappen en een laag diëlektrisch verlies te bereiken voor betrouwbare hoogfrequente prestaties. Veelgebruikte harssystemen zijn onder andere polyfenyleenether (PPE)-mengsels en fluorpolymeren met diëlektrische constanten onder de 3.5. Hogesnelheidsprepreg maakt PCB-ontwerpen mogelijk voor RF, microgolven, hoge datasnelheden en andere veeleisende toepassingen.
Hoe kies je het juiste? PCB Prepreg-materiaal?
Met zoveel prepreg-opties is het essentieel om de materiaaleigenschappen af te stemmen op de toepassingsvereisten:
Signaalintegriteit – Prepregs met een lage Dk en Df maken snellere signalen mogelijk met minder verlies en spreiding. Zorg ervoor dat de impedantietolerantie binnen de specificaties valt.
Thermisch beheer – Als een hoge thermische stabiliteit vereist is, kies dan voor een prepreg met een harssysteem met een hoge Tg. Dit zorgt voor loodvrije montage en betrouwbaarheid bij temperatuurschommelingen.
Milieu – Halogeenvrije prepregs voorkomen de uitstoot van gevaarlijke stoffen zoals dioxines bij verbranding, maar zijn duurder dan standaard FR-4.
Stackup – Dunnere prepreg maakt strakkere verticale sporen en via's mogelijk. Standaard 106 glas werkt goed, terwijl strakkere 7628 weefsels kunnen helpen bij zeer fijne geometrieën.
CTE – Door meer lagen toe te voegen, worden gaten door de plaat heen belast, waardoor een lagere CTE prepreg helpt barsten te voorkomen. Dit compenseert met een hogere diëlektrische constante.
Kosten – Terwijl andere prepregs de ultieme prestatie bieden, zal standaard FR-4 voor veel toepassingen volledig toereikend zijn tegen lagere kosten.
PCB Prepreg-dikte en de impact ervan
De dikte van prepreg varieert doorgaans van 0.002 inch (2 mils) tot 0.025 inch (25 mils). De trend is om steeds dunnere materialen te gebruiken om fijnere lijnen en ruimtes, kleinere via's en een strakkere impedantiecontrole mogelijk te maken. Enkele belangrijke effecten van de dikte van prepreg:
Dunnere diëlektrica maken strakkere routeringsgeometrieën mogelijk. 0.002” prepreg maakt 2/2 lijn/spatie mogelijk, tegenover 4/4 met 0.004” materiaal.
Dunnere diëlektrica verminderen het signaalverlies, maar de betrouwbaarheid van de microvia's kan problematisch worden onder 0.003 inch.
Standaard prepregs van 0.014”-0.020” zijn geschikt voor brede impedantiecontrole en isolatie bij hoge spanningen.
Dikkere prepregs van meer dan 0.020 inch zorgen voor een hogere doorslagspanning door bredere openingen. Hierdoor kan het gebruik van duurdere tussenlagen worden bespaard.
Kortom, de dikte van prepreg brengt afwegingen met zich mee tussen kosten, ontwerpgeometrieën en elektrische prestaties. Kies zoals altijd de juiste prepregdikte voor elke specifieke toepassing in plaats van willekeurig.
Conclusie
Prepreg-materialen zijn een complex maar cruciaal onderdeel van de PCB-ontwerp en productieproces. Zoals we hebben besproken, dragen factoren zoals het type hars, de glasvezelstijl, vlamvertragers en meer allemaal bij aan de elektrische, mechanische en thermische eigenschappen van prepreg. Hoewel het misschien een ondoorzichtig zwart materiaal lijkt, stelt intelligente prepregselectie engineers in staat om PCB-stackups te optimaliseren voor optimale prestaties.
De verscheidenheid aan beschikbare prepreg-typen is enorm, dus samenwerking met ervaren productiepartners is van onschatbare waarde. MOKO Technology beschikt over de expertise om klanten te begeleiden bij het kiezen van de juiste prepreg om stackups te optimaliseren. Contacteer ons vandaag om meer kennis over prepreg te benutten.
