Zwei Materialien, zwei Aufgaben
Eine starre Multilayer-Leiterplatte besteht aus zwei Komponenten: Kernen und Prepreg.
Ein Kern ist ein vollständig ausgehärtetes Laminat – Glasfasergewebe in ausgehärtetem Epoxidharz (C-Phase) mit beidseitig aufgebrachter Kupferfolie. Er verleiht der Leiterplatte ihre Dicke und mechanische Stabilität und trägt die inneren Schaltkreise, die vor dem Laminieren belichtet und geätzt wurden.
Prepreg ist Glasfasergewebe, das mit teilgehärtetem Harz imprägniert ist (B-Phase) und ohne Kupfer geliefert wird. Es besitzt keine eigene strukturelle Steifigkeit. Seine Aufgabe ist es, unter Hitze und Druck zu fließen, die Zwischenräume um die Kupferstruktur auszufüllen und die Kerne zu einer Leiterplatte zu verbinden.
Eine vierlagige Leiterplatte besteht in ihrer einfachsten Form aus zwei Kernen und einer Prepreg-Schicht – oder aus einem Kern und zwei Prepreg-Schichten, abhängig vom Lagenaufbau.
Was passiert beim Laminieren?
Der Lagenaufbau wird bei der entsprechenden Temperatur verpresst. Das Prepreg-Harz erweicht, fließt in das geätzte Kupfermuster und um die Leiterbahnen herum und härtet anschließend aus. In diesem Moment werden zwei Dinge entschieden:
Endgültige dielektrische Dicke: Das Harz muss die Kupferstufe vollständig ausfüllen. Daher hängt die dielektrische Dicke zwischen zwei Lagen vom Harzanteil des Prepregs und dem Kupfergewicht ab, nicht nur von seiner nominellen Dicke.
Haftfestigkeit: Zu geringes Fließen führt zu Lufteinschlüssen; zu viel Harz wird herausgepresst und verdünnt das Dielektrikum, was sich in einer Impedanzverschiebung äußert.
Warum dies für Entwickler wichtig ist
Aus dem Materialunterschied ergeben sich drei Konsequenzen.
Impedanz: Ein Impedanz-kontrollierter Lagenaufbau wird anhand des Dielektrikums zwischen der Leiterbahn und ihrer Referenz berechnet. Dieses Dielektrikum ist üblicherweise Prepreg. Steht in der Lagenaufbauzeichnung „0,1 mm Dielektrikum“, ohne die Prepreg-Konstruktion zu spezifizieren, muss der Leiterplattenhersteller eine Annahme treffen, und die Toleranz von ±10 % ist gefährdet, noch bevor die Leiterplatte geätzt wird.
Dicke. Die fertige Dicke einer Leiterplatte ergibt sich aus der Summe der Kerne, des Prepregs nach dem Reflow-Löten und des Kupfers. Dickes Kupfer und mehrere Prepreg-Lagen beeinflussen sich gegenseitig: Mehr Kupfer bedeutet mehr Harzbedarf zum Füllen der Zwischenräume. Daher sind dicke Kupfer-Lagenaufbauten nicht einfach Standard-Lagenaufbauten mit dickerer Folie.
Symmetrie. Kerne und Prepreg weisen unterschiedliches Ausdehnungsverhalten auf. Ein um seine Mittellinie symmetrischer Lagenaufbau wölbt sich beim Laminieren und Reflow-Löten weniger; ein asymmetrischer Aufbau zeigt sich durch Wölbung und Verdrehung. Die zulässige Abweichung beträgt hier 0,7 %.
Lesen einer Lagenaufbauzeichnung
Eine verwendbare Zeichnung gibt pro Lage Folgendes an: das Kupfergewicht, das Material und die Dicke sowie ob es sich beim Dielektrikum um einen Kern oder ein Prepreg handelt. Diese Unterscheidung ist nicht rein theoretisch – sie gibt dem Verarbeiter die benötigten Lagen und dem Entwickler die Zusammensetzung des fertigen Dielektrikums an.
Wenn ein Design eine dicke Leistungsschicht mit einer feinstrukturierten Signalschicht kombiniert, wird der Lagenaufbau im DFM-Verfahren festgelegt und nicht angenommen. Die Leistungsgrenzen stehen auf der Funktionsseite und die Board-Optionen auf der Seite zur Leiterplattenfertigung.