Ausführlicher Überblick über die PCB-Laminatkonstruktion

Leiterplatten sind das Rückgrat moderner Elektronik und bieten eine Plattform für die nahtlose Verbindung und Funktion verschiedener Komponenten. Das Herzstück jeder Leiterplatte ist eine komplexe Struktur miteinander verbundener Schichten, die jeweils einem bestimmten Zweck dienen und die Funktionalität und Zuverlässigkeit der Leiterplatte gewährleisten. Unter den Schlüsselelementen einer Leiterplatten-Laminatkonstruktion spielen Stapeldiagramme eine entscheidende Rolle bei der Definition der Leiterplattenkonstruktion und elektrische Eigenschaften. Das Verständnis dieser PCB-Laminatkonstruktion ist für PCB-Designer und -Hersteller von entscheidender Bedeutung, um effiziente und qualitativ hochwertige Leiterplatten zu erstellen.

Das Wesen einer Leiterplatte (PCB) liegt in ihrer komplizierten Struktur, die aus mehreren Schichten besteht, die durch Prepregs und Kernmaterialien miteinander verbunden sind.

Prepreg, oft auch als B-Phase-Harzinpräparate bezeichnet, ist ein teilgehärtetes Material aus dünnen, mit Harz getränkten Folien. Es erfüllt in Mehrschichtsystemen zwei Funktionen. LeiterplattenherstellungEs dient als Klebstoff zum Verbinden der inneren Leiterbahnen und sorgt für eine Zwischenlagenisolierung. Beim Laminieren schmilzt, fließt und erstarrt das Epoxidharz des Prepregs und verbindet so die Leiterbahnschichten effektiv miteinander, während gleichzeitig eine zuverlässige Isolierschicht zwischen ihnen entsteht.

Das Kernmaterial hingegen stellt das Grundelement einer Leiterplatte dar – eine starre Platine mit einer bestimmten Dicke und beidseitig laminierter Kupferfolie. Eine typische mehrschichtige Leiterplatte wird durch die Laminierung abwechselnder Schichten aus Kern und Prepregs hergestellt. Die Prepreg-Schichten, die sogenannte „Wet-out“- oder Imprägnierungsschichten bilden, können mehrere Kernschichten miteinander verbinden und erfahren trotz ihrer anfänglichen Dicke während des Pressvorgangs eine gewisse Schrumpfung.

Typischerweise sind die beiden äußersten dielektrischen Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte Imprägnierungsschichten, die von separaten Kupferfolienschichten bedeckt sind, die als äußere leitende Ebenen dienen. Die Rohdickenspezifikationen für äußere und innere Kupferfolien liegen üblicherweise in den Varianten 0.5 Unzen, 1 Unzen und 2 Unzen vor (wobei 1 Unze etwa 35 µm oder 1.4 Mil entspricht). Durch die Nachbearbeitung nimmt die Dicke der äußeren Kupferfolienschicht typischerweise um fast 1 Unze zu, während die endgültige Dicke der inneren Kupferfolie nahe am ursprünglichen Wert bleibt, sich jedoch aufgrund des Ätzens leicht verringern kann.

Die äußerste Schicht einer mehrlagigen Leiterplatte besteht aus der LötstopplackDie Lötstoppmaske, umgangssprachlich auch als „Grünes Öl“ bekannt, kann aber auch gelb oder andersfarbig sein. Ihre Dicke lässt sich nicht genau bestimmen, da sie in Bereichen ohne Kupfer dicker ist als in Bereichen mit Kupfer. Dennoch ist das hervorstehende Kupfer bei haptischer Prüfung der Leiterplattenoberfläche spürbar.

PCB-Parameter und Materialien

Bei verschiedenen Herstellern gibt es Unterschiede in den PCB-Parametern, die eine Kommunikation mit den PCB-Fabrikingenieuren erforderlich machen, um deren spezifische Daten zu erhalten, wobei der Schwerpunkt hauptsächlich auf der Dielektrizitätskonstante und der Lötstopplackdicke liegt, die von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich sein können.

Äußere Schicht aus Kupferfolie Zu den verfügbaren Dicken der Außenschicht der Kupferfolie gehören 12 µm, 18 µm und 35 µm. Nach der Verarbeitung ergeben sich im Allgemeinen Enddicken von etwa 44 µm, 50 µm und 67 µm, was ungefähr einem Kupfergewicht von 1 Unze, 1.5 Unzen bzw. 2 Unzen entspricht. Beachten Sie, dass es bei Verwendung einer Impedanzberechnungssoftware zur Steuerung keine Option für eine Kupferdicke von 0.5 Unzen für die Außenschichten gibt.

Kernmaterial Das häufig verwendete Kernmaterial ist S1141A, ein doppelseitig kupferkaschiertes Standard-FR-4-Material mit wählbaren Spezifikationen, die direkt beim Hersteller bestätigt werden können.

Prepreg Prepregs sind in verschiedenen Originaldickenspezifikationen erhältlich, z. B. 7628 (0.185 mm/7.4 mil), 2116 (0.105 mm/4.2 mil), 1080 (0.075 mm/3 mil) und 3313 (0.095 mm/4 mil). Bei tatsächlicher Kompression nimmt die Dicke normalerweise um etwa 10–15 µm (0.5–1 mil) ab, daher darf die Mindestdicke der dielektrischen Schicht in einem Stapeldesign nicht weniger als 3 mil betragen. Für eine einzelne Imprägnierungsschicht können bis zu drei Prepregs verwendet werden, wobei keines der drei die gleiche Dicke aufweisen darf; Es kann mindestens ein Prepreg verwendet werden, einige Hersteller verlangen jedoch mindestens zwei. Sollte die Dicke des Prepregs nicht ausreichen, kann die Kupferfolie auf beiden Seiten des Kerns weggeätzt und anschließend mit Prepregs wieder befestigt werden, wodurch eine dickere Imprägnierungsschicht erreicht wird. Die Dielektrizitätskonstante von Prepregs variiert mit ihrer Dicke. In der folgenden Tabelle sind die Dicken verschiedener Modelle und ihre entsprechenden Dielektrizitätskonstanten aufgeführt:

Die Dielektrizitätskonstante einer Laminatplatte hängt vom verwendeten Harzmaterial ab; FR4-Platten weisen typischerweise einen Dielektrizitätskonstantenbereich von 4.2 bis 4.7 auf, der mit zunehmender Frequenz abnimmt.

Lötmaskenschicht Die Dicke der Lötstopplackschicht über der Kupferfolie, bezeichnet als C2, beträgt etwa 8–10 µm. Die Dicke der Lötmaske in Bereichen ohne Kupfer, C1, variiert je nach Kupferdicke an der Oberfläche und beträgt etwa 13–15 µm für 45 µm dickes Kupfer und etwa 17–18 µm für 70 µm dickes Kupfer. Bei der Berechnung mit SI9000 ist ein Lötstopplackdickenwert von 0.5OZ ausreichend.

Leiterquerschnitt Aufgrund der Ätzung ist der Querschnitt der Leiter nicht rechteckig, sondern trapezförmig. Wenn beispielsweise in der TOP-Schicht die Kupferfoliendicke 1OZ beträgt, ist die obere Basis des Trapezes etwa 1MIL kürzer als die untere Basis. Wenn also die entworfene Linienbreite W=5MIL ist, würde die obere Breite ungefähr 4MIL und die untere Breite 5MIL betragen. Der Unterschied zwischen der oberen und unteren Basis hängt von der Kupferdicke ab, wie in der folgenden Tabelle unter verschiedenen Bedingungen dargestellt:

Impedanzberechnungen Typische Impedanzberechnungen verwenden die folgenden Modelle:

• Mikrostreifenleitungsmodell
• Stripline-Modell

Beim Mikrostreifenmodell gibt es andere Konfigurationen, darunter ein ungenutztes Modell ohne Beschichtung. Die Dielektrizitätskonstanten Er1 und Er2 im dargestellten Modell hängen vom jeweils verwendeten Prepreg-Modell ab; Die wichtigsten Modelle sind oben aufgeführt. Detaillierte Parameter sollten direkt beim Leiterplattenhersteller erfragt werden.

Wenn das Projekt von der Recherchephase zur Angebotsanfrage übergeht, überprüfen Sie Auswahl des Leiterplattenlaminats und Feinraster-BGA-Baugruppe So bleiben die Anforderungen an Material, Prozess und Inspektion aufeinander abgestimmt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis der komplexen Struktur und der Materialien einer Leiterplatte (PCB) entscheidend für die Entwicklung und Fertigung hochwertiger elektronischer Geräte ist. Prepreg- und Kernmaterialien spielen eine wesentliche Rolle beim Verbinden der Lagen und der Isolierung, während Kupferfolien und Lötstopplacke zur Leitfähigkeit und zum Schutz der Leiterplatte beitragen.

Unterschiede in den PCB-Parametern und -Materialien zwischen den Herstellern verdeutlichen die Bedeutung der Kommunikation und der Beschaffung spezifischer Daten für jedes Projekt. Stapeldiagramme sind unschätzbar wertvolle Hilfsmittel und liefern einen Überblick über den Aufbau und die elektrischen Eigenschaften der Leiterplatte.

Durch das Verständnis der Schlüsselelemente von Stapeldiagrammen können Designer die Integrität und Zuverlässigkeit ihrer PCB-Designs sicherstellen, was letztendlich zu leistungsfähigeren und robusteren elektronischen Geräten führt.