Core e Prepreg: caratteristiche e differenze (1a Parte )

Prepreg

Partiamo dalla definizione riportata in IPC T50 Terms and definition

→ Materiale dielettrico composto da fogli di fibra di vetro impregnati con resina parzialmente polimerizzata (resina allo stadio B) Tramite un processo di laminazione è utilizzato come adesivo e come isolante per unire i vari strati di un PCB, formando una struttura dielettrica solida.

Il termine pre-preg è l’abbreviazione di pre-impregnated.  Si riferisce al fatto che il materiale è costituito da un foglio di tessuto di vetro che è stato impregnato con una resina. 

Composizione:

Tessuto di vetro e resina.

Il tessuto di vetro è a tutti gli effetti un tessuto e quindi ha una trama ed un ordito: i “fili “o meglio i filati ( yarn in inglese) si incrociano tra di loro in modo perpendicolare e possono essere sottili o grossi. Le caratteristiche dei diversi tipi di tessuto sono definite dallo STYLE (ne parliamo più avanti).

La resina può essere di natura diversa: epossidica, polimmidica, PTFE, in funzione delle caratteristiche che il prodotto deve soddisfare. Inoltre può essere additivata con varie sostanze al fine di ottenere o migliorare alcune prestazioni.  

Esempio di additivi sono i filler che migliorano la prestazione del CTE sull’asse Z o i ritardanti di fiamma che consentono di ottenere il grado di infiammabilità 94V-0.

Nel processo di produzione, il pre-preg, una volta impregnato, subisce una leggera polimerizzazione definita “drying and B staging” . Serve a far evaporare il solvente contenuto nella resina e a renderla manipolabile raggiungendo il cosiddetto “B stage”; la polimerizzazione “completa” (o C stage) verrà raggiunta col processo di pressatura del pre-preg.

Caratteristiche principali del pre-preg

Le caratteristiche principali del pre-preg sono:

• Glass Style, 

• Dk, costante dielettrica relativa o permettività, 

• Df, dissipation factor o loss tangent

• contenuto di resina

• spessore (dopo pressatura)

Style

Lo style riassume le caratteristiche del tessuto di vetro, di seguito elencate:

• pattern di tessitura: solitamente PLAIN;

• tipo di yarn definito da:

• tipo di fiberglass (solitamente E-glass), 

• diametro del filamento, 

• tipo del filamento (continuous filament);

• yarn density:numero di yarn (fili) per pollice nella direzione warp e nella direzione weft; 

• peso o spessore del tessuto.

Tabella riassuntiva con i vari style dei tessuti di vetro

Fonte  : https://www.isola-group.com

La decodifica della nomenclatura degli Yarn è definita nello standard IPC 4412.

Dk o Costante dielettrica relativa

La costante dielettrica relativa Dk indica quanto il materiale frena la propagazione del segnale elettrico rispetto al vuoto. 

Il vuoto viene preso come riferimento con valore di Dk = 1.

E ‘quindi chiaro che questo parametro influenza la velocità di trasmissione del segnale (signal speed) specialmente quando il PCB lavora ad alte frequenze. 

Un basso valore di Dk consente ai segnali di viaggiare più velocemente.

Il valore di Dk inoltre influenza l’impedenza caratteristica delle cosiddette transmission lines (microstrip o striplines ) . 

Un disallineamento tra Dk del pre-preg e Dk degli altri materiali dello stack up può causare riflessi e degrado del segnale

Il disallineamento può intervenire:

• tra Dk del pre-preg e Dk del core, 

• oppure tra Dk del pre-preg in zona più ricca di vetro e Dk in zona più ricca di resina: questo causa variazioni dell’impedenza (anche se la larghezza della traccia rimane invariata) che di conseguenza modifica il segnale.

Df (dissipation factor) o Loss tangent 

Indica quanta dell’energia del segnale si trasforma in calore.

Questa è una caratteristica fondamentale per il mantenimento dell’integrità del segnale sulle lunghe tracce, nei PCB che lavorano ad alte frequenze.

Esempio di data sheet di materiale con Dk alto e Df basso:

Tratto : https://www.rogerscorp.com

Contenuto di resina

Indica la quantità di resina contenuta nel pre preg. È espressa in grammi per metro quadrato. Ha influenza sul flow nel processo di pressatura. Per alcuni Style il pre-preg è disponibile con diversi contenuti di resina.

Spessore del pre-preg / dielectric spacing

In questa sede ci riferiamo allo spessore DOPO pressatura, cioè nel circuito finito. 

È un parametro importantissimo in quanto contribuisce allo spessore finale del PCB, inoltre determina lo spessore dello spazio di isolamento tra due layer (secondo IPC 6012 Rev.F ,3.6.2.18.1: dielectric  spacing ) 

Il dielectric spacing porta a queste conseguenze:

• Nei PCB con impedenza controllata, determina la distanza tra il lato con il segnale ed il lato con il cosiddetto reference plane e questo impatta direttamente sull’impedenza. Se aumenta lo spessore aumenta l’impedenza e viceversa.

• Nei PCB che lavorano in alta frequenza, influenza l’integrità del segnale ( signal integrity). All’aumentare dello spessore del pre-preg corrisponde un aumento del materiale isolante e questo aumenta il ritardo del segnale; viceversa al diminuire dello spessore si riduce il ritardo ma può causare crosstalk (diafonia) se i due layer son troppo vicini.

Fonte  : https://www.isola-group.com

Core 

“Un materiale laminato rigido, composto da uno o più strati di prepreg già polimerizzati, con rame su uno o entrambi i lati, utilizzato come elemento centrale o portante, in un PCB multistrato.”

Nelle aziende che producono PCB il core è chiamato in diversi modi: laminato sottile, inner layer, lato interno, strato interno.

Da cosa è composto?

Tessuto di vetro, resina, copper foil. 

Del tessuto di vetro abbiamo già scritto. 

Resina

Per quanto riguarda la resina va aggiunto che, diversamente dal pre-preg nel core è completamente polimerizzata (al cosiddetto “C stage”) e questo attribuisce al core:

• una struttura rigida;

• uno spessore che rimarrà invariato anche dopo la laminazione; 

• una costante dielettrica relativa Dk che da un punto all’altro presenta variazioni meno ampie rispetto a quanto avviene nel pre-preg.

• 
  

Copper foil

E ‘disponibile in diversi spessori, i più comuni sono elencati nella tabella seguente: 

Fonte  : https://www.isola-group.com

Le tipologie di copper foil sono molto numerose ( vedi tabella seguente ) 

Fonte  : https://www.isola-group.com

Semplificando, tutte le tipologie sopra indicate sono riconducibile a due grandi famiglie che si caratterizzano in base al metodo di produzione: 

• Copper foil RA (rolled annealed):

ideale per applicazioni dinamiche e flessibili; nei PCB ad alta frequenza la bassa ruvidità della superficie del rame è di aiuto sul fronte dell’insertion loss, ma la scarsa ruvidità si fa sentire sul fronte del bond strength. 

La struttura a “grana orizzontale” rende l’incisione più impegnativa e la bassa ruvidità può significare difficoltà di adesione del photoresist.

• Copper foil ED (elettrodepositato):

molto diverso rispetto al rame RA. Il rame ED ha una struttura a “grana verticale” e questo aiuta ad aprire spazi stretti nella fase di incisione, ottenendo pareti dei conduttori ben definite. Rispetto al rame RA ha una superficie più ruvida e di questo ne beneficia il bond strength.

Riportiamo una foto in sezione di come si presentano i due diversi tipi di rame:

Fonte : https://resources.altium.com

Riferendoci al rame ED, in conseguenza del metodo di produzione utilizzato, il copper foil ha un lato più liscio che corrisponde a quello in contatto col tamburo rotante (chiamato drum side) mentre l’altro lato (chiamato matte side) è quello che cresce liberamente e risulta più rugoso: il matte side è il lato che viene trattato per aumentare la rugosità.

Ulteriori varianti ai copper foil si aggiungono quindi considerando la diversa rugosità superficiale del “matte side” che può variare da:

high profile, standard profile, low profile, very low profile.

La tipologia “high profile” è utilizzata nei casi in cui è richiesto un elevato bond strength (tra rame interno e pre-preg), mentre dalla parte opposta della gamma, il “very low profile” è solitamente usato nei PCB in alta frequenza per ridurre l’effetto di insertion loss. 

Restando nel campo dei PCB ad alta frequenza è da menzionare sicuramente il cosiddetto “skin effect” che potremmo definire come la tendenza della corrente a scorrere solo in prossimità della superficie del conduttore, senza utilizzare “tutta” la sezione del conduttore. 

Molto sinteticamente si può affermare che la “skin depth” dipende dalla frequenza del segnale e indicativamente ha un ordine di grandezza di circa 1-2 micron.

Ora, se la rugosità del drum side è tale da rappresentare una frazione significativa della skin depth, questo “su e giù” del segnale che percorre la traccia corrisponde ad un allungamento della traccia stessa che determina un incremento della resistenza e questo causa il fenomeno di insertion loss.

Tabella sintetica con le principali differenze tra core e pre-preg.

caratteristica	Core	Pre-preg
Stato della resina	polimerizzato (C stage)	parzialmente polimerizzato (B stage)
Rigidità meccanica	rigido	Flessibile. Diventa rigido dopo la fase di pressatura.
Rame	Laminato su uno o su ambo i lati	assente
Spessore	Rimane invariato.	Dopo pressatura: lo spessore “dipende” dal flow della resina o dalla resa nello stack up definito
Costante dielettrica Dk	Variazione localizzate, meno ampie	Variazioni localizzate, più ampie
Utilizzo	Sul foglio di rame si incide il layer	collante e isolante

In questo articolo abbiamo trattato sinteticamente alcuni aspetti specifici del pre-preg e copper foil.

TECNOMETAL srl Staff tecnico

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