預(yù)浸料與芯材：了解PCB層疊層材料
- 2025-07-17 13:48:00
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在印刷電路板 （PCB） 設(shè)計(jì)領(lǐng)域，每一層都很重要。無論您是制作簡(jiǎn)單的單面板還是復(fù)雜的多層杰作，您選擇的材料（特別是預(yù)浸料和芯材）在決定性能、可靠性和可制造性方面都起著關(guān)鍵作用。對(duì)于工程師來說，了解預(yù)浸料和芯材之間的區(qū)別不僅僅是一個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié);它是創(chuàng)建滿足嚴(yán)格電氣、熱和機(jī)械要求的 PCB 的基礎(chǔ)。本博客的核心（雙關(guān)語）深入探討了這兩種重要的 PCB 疊層材料，分解了它們的作用、特性以及它們?nèi)绾斡绊懩脑O(shè)計(jì)結(jié)果。讓我們探討一下預(yù)浸料和核心的不同之處，為什么它們很重要，以及如何在下一個(gè)項(xiàng)目中有效地利用它們。
PCB 設(shè)計(jì)中的預(yù)浸料和芯材是什么？
定義基礎(chǔ)知識(shí)
首先，讓我們定義一下我們的玩家。預(yù)浸料是“預(yù)浸漬”的縮寫，是一種由玻璃纖維或其他機(jī)織織物制成的介電材料，浸有部分固化的樹脂（通常是環(huán)氧樹脂），通常稱為“B 階段”。這種半固化狀態(tài)使預(yù)浸料具有柔韌性，使其能夠在 PCB 層壓過程中充當(dāng)將各層粘合在一起的膠水。加熱和壓制時(shí)，樹脂流動(dòng)，與相鄰層粘合并完全固化，形成堅(jiān)固的絕緣結(jié)構(gòu)。
另一方面，磁芯是 PCB 的剛性支柱。它是一種完全固化的層壓板，通常為 FR4，一種玻璃纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，一側(cè)或兩側(cè)包覆銅箔。Core 提供結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并用作蝕刻電路的基礎(chǔ)。在多層 PCB 中，芯是預(yù)制的構(gòu)建塊，而預(yù)浸料則填充了它們之間的間隙。
主要區(qū)別一目了然
雖然預(yù)浸料和芯材通常都從相似的材料（玻璃纖維和環(huán)氧樹脂）開始，但它們的作用和狀態(tài)使它們與眾不同：
狀態(tài)：芯材完全固化且剛性;預(yù)浸料是半固化的，在層壓之前是柔韌的。
功能：磁芯承載銅跡線并提供剛度;預(yù)浸料絕緣和粘合各層。
銅：芯線帶有預(yù)層壓的銅;PrepReg 則不會(huì)。
了解這些區(qū)別是掌握 PCB 疊層設(shè)計(jì)的第一步。讓我們更深入地研究它們的特性和應(yīng)用。
預(yù)浸料在 PCB 疊層中的作用
捆綁和絕緣
Prepreg 的主要作用是將多層 PCB 固定在一起的粘合劑。想象一下，堆疊多個(gè)內(nèi)核（每個(gè)內(nèi)核都有蝕刻銅跡線），并且需要一種方法將它們?nèi)诤铣梢粋€(gè)單一的、有凝聚力的單元。這就是預(yù)浸料的用武之地。在層壓過程中，熱量和壓力會(huì)導(dǎo)致樹脂流動(dòng)，填充間隙并粘合到銅和芯表面。固化后，它就會(huì)變成一個(gè)堅(jiān)固的介電層，在電隔離導(dǎo)電層的同時(shí)，還能增加電路板的整體厚度。
例如，在使用箔結(jié)構(gòu)的 4 層 PCB 中，預(yù)浸料位于第 1 層和第 2 層以及第 3 層和第 4 層之間，夾在中心芯之間。這種設(shè)置可確保絕緣，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)完整性。
預(yù)浸料的種類
并非所有的預(yù)浸料都是一樣的。它們根據(jù)樹脂含量和玻璃編織而變化，從而影響其厚度和電氣性能：
標(biāo)準(zhǔn)樹脂 （SR）：樹脂含量更低，外形更薄 — 非常適合基本應(yīng)用。
中型樹脂 （MR）：平衡樹脂，滿足中等厚度和絕緣需求。
高樹脂 （HR）：樹脂含量更高，適用于較厚的層或在復(fù)雜疊層中具有更好的流動(dòng)性。
玻璃編織（用 106、1080 或 7628 等數(shù)字表示）也很重要。較緊密的組織（例如 7628）提供更高的密度和強(qiáng)度，而較松散的組織（例如 1080）更薄、更靈活。對(duì)于以 50 歐姆阻抗為目標(biāo)的高頻設(shè)計(jì)，可以將 2116 預(yù)浸料（中等厚度）與磁芯配對(duì)，以實(shí)現(xiàn)精確的介電間距。
實(shí)際影響
預(yù)浸料的厚度和介電常數(shù) （Dk） 直接影響信號(hào)完整性。典型的 FR4 預(yù)浸料的 Dk 約為 4.2-4.5，但由于樹脂流動(dòng)性和玻璃含量，層壓后 Dk 可能會(huì)有所不同。在高速設(shè)計(jì)中，不一致的預(yù)浸料厚度會(huì)使阻抗偏斜，從而導(dǎo)致信號(hào)反射。工程師通常會(huì)指定多個(gè)預(yù)浸料層（例如，兩片 1080，每層 0.0028 英寸）以達(dá)到 0.006 英寸等目標(biāo)厚度，從而平衡成本和性能。
磁芯在 PCB 疊層中的作用
結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
如果預(yù)浸料是膠水，那么 core 就是骨架。它是預(yù)層壓的覆銅材料，構(gòu)成了 PCB 的基層。在單面板中，磁芯可能是唯一的層，一側(cè)蝕刻了銅。在多層設(shè)計(jì)中，內(nèi)核堆疊起來，承載內(nèi)部信號(hào)、接地或電源層。例如，6 層 PCB 可能使用兩個(gè)芯（第 2-3 層和第 4-5 層），外層有預(yù)浸料和箔。
電氣穩(wěn)定性
與預(yù)浸料不同，磁芯的完全固化狀態(tài)使其具有一致的介電性能，使其成為受控阻抗層的首選?？梢栽谛盘?hào)層和接地層之間使用 Dk 為 4.3 且厚度為 0.010 英寸的磁芯，以保持 50 歐姆的走線阻抗，使用場(chǎng)求解器等工具計(jì)算。這種可預(yù)測(cè)性就是為什么高頻設(shè)計(jì)經(jīng)常將關(guān)鍵信號(hào)放在核心層而不是僅僅依賴預(yù)浸料的原因。
真實(shí)示例
考慮以 3200 MT/s 的速度運(yùn)行的 DDR4 內(nèi)存板。疊層可能在第 3 層和第 4 層之間使用 0.008 英寸的纖芯，以確保高速信號(hào)的穩(wěn)定阻抗，預(yù)浸料填充外層的間隙。與僅預(yù)浸料方法相比，這種設(shè)置最大限度地減少了信號(hào)損失（FR4 內(nèi)核的耗散因數(shù)為 ~0.02）。
預(yù)浸料與芯材：并排比較
材料特性
讓我們來分析一下：
剛性：芯部堅(jiān)硬;預(yù)浸料開始柔韌，并在層壓后硬化。
介電常數(shù)：磁芯的 Dk 穩(wěn)定（例如，4.3）;由于固化，預(yù)浸料略有不同 （4.2–4.5）。
厚度控制： 芯材提供精確的預(yù)設(shè)厚度;預(yù)浸料的最終厚度取決于層壓壓力和樹脂流動(dòng)性。
制造影響
在制造過程中，芯材在堆疊前單獨(dú)蝕刻，而在層壓過程中添加預(yù)浸料。箔結(jié)構(gòu)（在芯和外銅箔之間使用預(yù)浸料）是其成本效益和產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)。電容結(jié)構(gòu)，芯在外面，適合需要更嚴(yán)格 Dk 控制的微波板等小眾情況，但會(huì)增加復(fù)雜性。
性能注意事項(xiàng)
在信號(hào)完整性方面，磁芯由于其較低的耗散因數(shù)和均勻的 Dk 而在高頻場(chǎng)景中勝出。然而，Prepreg 擅長填充間隙和適應(yīng)不平整的表面，這對(duì)于密集的多層板至關(guān)重要。10 層 PCB 可能會(huì)交替使用三個(gè)芯和四個(gè)預(yù)浸料層，以平衡剛度和絕緣性。
預(yù)浸料和核心如何影響信號(hào)完整性
阻抗控制
阻抗是高速設(shè)計(jì)中的王道。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算器，0.010 英寸磁芯 （Dk 4.3） 上的 50 歐姆微帶線需要大約 0.018 英寸的走線寬度。將其換成具有可變 Dk（例如固化后 4.5）的預(yù)浸料層，寬度會(huì)發(fā)生變化，從而有錯(cuò)配的風(fēng)險(xiǎn)。Core 的一致性使其成為關(guān)鍵路徑的首選。
信號(hào)丟失和串?dāng)_
在 5 GHz 時(shí)，F(xiàn)R4 內(nèi)核的介損因數(shù) （~0.02） 保持較低的信號(hào)損耗，而預(yù)浸料略高的損耗角正切 （~0.025） 會(huì)降低長走線的性能。更薄的預(yù)浸料層還可以通過使信號(hào)層更靠近接地層來減少串?dāng)_，例如，與 0.008 英寸相比，0.004 英寸的預(yù)浸料會(huì)切割耦合。
實(shí)用設(shè)計(jì)技巧
對(duì)于 USB 3.0 板 （5 Gbps），請(qǐng)使用差分對(duì)的內(nèi)核（90 歐姆阻抗）和預(yù)浸料，以將其與電源層隔離。測(cè)試試樣（具有相同疊層的迷你 PCB）可以驗(yàn)證實(shí)際的 Dk 和損耗值。
為您的疊層選擇預(yù)浸料和芯材
設(shè)計(jì)要求
您的項(xiàng)目決定了組合：
High-Speed：偏愛信號(hào)層的磁芯;使用預(yù)浸料進(jìn)行粘合。
厚板： 用預(yù)浸料堆疊多個(gè)芯，以擊中 0.093 英寸等目標(biāo)。
成本：核心較少的閃結(jié)構(gòu)比上限構(gòu)建更省錢。
材料選擇
FR4 占主導(dǎo)地位，但 Rogers 4350（Dk 3.5，低損耗）等替代品適合射頻設(shè)計(jì)。10 GHz 天線可以將 Rogers 磁芯與 FR4 預(yù)浸料配對(duì)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的絕緣。查看供應(yīng)商數(shù)據(jù)表，例如 Isola 的 370HR 提供 4.0 的 Dk 和高達(dá) 180°C 的熱穩(wěn)定性。
常見疊層配置
4 層 PCB
箔構(gòu)建： 銅箔、預(yù)浸料、芯（第 2-3 層）、預(yù)浸料、銅箔。
用例：通用板，如 Arduino 擴(kuò)展板。
6 層 PCB
鋁箔構(gòu)建： 鋁箔、預(yù)浸料、芯材 （2-3）、預(yù)浸料、芯材 （4-5）、預(yù)浸料、鋁箔。
用例：帶接地平面的高速數(shù)字。
8 層 PCB
鋁箔構(gòu)建： 鋁箔、預(yù)浸料、芯 （2-3）、預(yù)浸料、芯 （4-5）、預(yù)浸料、芯 （6-7）、預(yù)浸料、鋁箔。
用例：服務(wù)器或電信設(shè)備。
使用預(yù)浸料和芯材的挑戰(zhàn)和解決方案
厚度可變性
由于樹脂流動(dòng)，預(yù)浸料的最終厚度可能會(huì)偏移 ±10%。解決方案：使用多層薄層（例如，三層 106 張）對(duì)一張厚的 7628 板材進(jìn)行精確測(cè)量。
熱應(yīng)力
高層數(shù)電路板有分層的風(fēng)險(xiǎn)。選擇高 Tg 材料（例如 Tg 為 170°C 的 FR4）和對(duì)稱疊層，以均勻分布應(yīng)力。
成本與性能
像 Rogers 這樣的奇異核心會(huì)飆升成本。在性能允許的情況下與 FR4 預(yù)浸料進(jìn)行平衡，為關(guān)鍵層保留特殊材料。
預(yù)浸料和芯材是 PCB 疊層的無名英雄，各自帶來了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Core 為電路提供剛性、穩(wěn)定的基礎(chǔ)，而預(yù)浸料則將其全部粘合在一起，確保設(shè)計(jì)的絕緣性和靈活性。對(duì)于工程師來說，掌握它們的相互作用意味著解鎖更好的信號(hào)完整性、熱性能和可制造性。無論您是在 5G 模塊中追求 50 歐姆阻抗，還是構(gòu)建經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，這些材料的正確組合都是您成功的門票。下次設(shè)計(jì) PCB 時(shí)，請(qǐng)仔細(xì)考慮您的疊層——因?yàn)樵谶@個(gè)游戲中，每一層都很重要。
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