预浸料与芯材：了解PCB层叠层材料

在印刷电路板 （PCB） 设计领域，每一层都很重要。无论您是制作简单的单面板还是复杂的多层杰作，您选择的材料（特别是预浸料和芯材）在决定性能、可靠性和可制造性方面都起着关键作用。对于工程师来说，了解预浸料和芯材之间的区别不仅仅是一个技术细节;它是创建满足严格电气、热和机械要求的 PCB 的基础。本博客的核心（双关语）深入探讨了这两种重要的 PCB 叠层材料，分解了它们的作用、特性以及它们如何影响您的设计结果。让我们探讨一下预浸料和核心的不同之处，为什么它们很重要，以及如何在下一个项目中有效地利用它们。

PCB 设计中的预浸料和芯材是什么？

定义基础知识

首先，让我们定义一下我们的玩家。预浸料是“预浸渍”的缩写，是一种由玻璃纤维或其他机织织物制成的介电材料，浸有部分固化的树脂（通常是环氧树脂），通常称为“B 阶段”。这种半固化状态使预浸料具有柔韧性，使其能够在 PCB 层压过程中充当将各层粘合在一起的胶水。加热和压制时，树脂流动，与相邻层粘合并完全固化，形成坚固的绝缘结构。

另一方面，磁芯是 PCB 的刚性支柱。它是一种完全固化的层压板，通常为 FR4，一种玻璃纤维-环氧树脂复合材料，一侧或两侧包覆铜箔。Core 提供结构稳定性，并用作蚀刻电路的基础。在多层 PCB 中，芯是预制的构建块，而预浸料则填充了它们之间的间隙。

主要区别一目了然

虽然预浸料和芯材通常都从相似的材料（玻璃纤维和环氧树脂）开始，但它们的作用和状态使它们与众不同：

• 状态：芯材完全固化且刚性;预浸料是半固化的，在层压之前是柔韧的。

• 功能：磁芯承载铜迹线并提供刚度;预浸料绝缘和粘合各层。

• 铜：芯线带有预层压的铜;PrepReg 则不会。

了解这些区别是掌握 PCB 叠层设计的第一步。让我们更深入地研究它们的特性和应用。

预浸料在 PCB 叠层中的作用

捆绑和绝缘

Prepreg 的主要作用是将多层 PCB 固定在一起的粘合剂。想象一下，堆叠多个内核（每个内核都有蚀刻铜迹线），并且需要一种方法将它们融合成一个单一的、有凝聚力的单元。这就是预浸料的用武之地。在层压过程中，热量和压力会导致树脂流动，填充间隙并粘合到铜和芯表面。固化后，它就会变成一个坚固的介电层，在电隔离导电层的同时，还能增加电路板的整体厚度。

例如，在使用箔结构的 4 层 PCB 中，预浸料位于第 1 层和第 2 层以及第 3 层和第 4 层之间，夹在中心芯之间。这种设置可确保绝缘，同时保持结构完整性。

预浸料的种类

并非所有的预浸料都是一样的。它们根据树脂含量和玻璃编织而变化，从而影响其厚度和电气性能：

• 标准树脂 （SR）：树脂含量更低，外形更薄 — 非常适合基本应用。

• 中型树脂 （MR）：平衡树脂，满足中等厚度和绝缘需求。

• 高树脂 （HR）：树脂含量更高，适用于较厚的层或在复杂叠层中具有更好的流动性。

玻璃编织（用 106、1080 或 7628 等数字表示）也很重要。较紧密的组织（例如 7628）提供更高的密度和强度，而较松散的组织（例如 1080）更薄、更灵活。对于以 50 欧姆阻抗为目标的高频设计，可以将 2116 预浸料（中等厚度）与磁芯配对，以实现精确的介电间距。

实际影响

预浸料的厚度和介电常数 （Dk） 直接影响信号完整性。典型的 FR4 预浸料的 Dk 约为 4.2-4.5，但由于树脂流动性和玻璃含量，层压后 Dk 可能会有所不同。在高速设计中，不一致的预浸料厚度会使阻抗偏斜，从而导致信号反射。工程师通常会指定多个预浸料层（例如，两片 1080，每层 0.0028 英寸）以达到 0.006 英寸等目标厚度，从而平衡成本和性能。

磁芯在 PCB 叠层中的作用

结构基础

如果预浸料是胶水，那么 core 就是骨架。它是预层压的覆铜材料，构成了 PCB 的基层。在单面板中，磁芯可能是唯一的层，一侧蚀刻了铜。在多层设计中，内核堆叠起来，承载内部信号、接地或电源层。例如，6 层 PCB 可能使用两个芯（第 2-3 层和第 4-5 层），外层有预浸料和箔。

电气稳定性

与预浸料不同，磁芯的完全固化状态使其具有一致的介电性能，使其成为受控阻抗层的首选。可以在信号层和接地层之间使用 Dk 为 4.3 且厚度为 0.010 英寸的磁芯，以保持 50 欧姆的走线阻抗，使用场求解器等工具计算。这种可预测性就是为什么高频设计经常将关键信号放在核心层而不是仅仅依赖预浸料的原因。

真实示例

考虑以 3200 MT/s 的速度运行的 DDR4 内存板。叠层可能在第 3 层和第 4 层之间使用 0.008 英寸的纤芯，以确保高速信号的稳定阻抗，预浸料填充外层的间隙。与仅预浸料方法相比，这种设置最大限度地减少了信号损失（FR4 内核的耗散因数为 ~0.02）。

预浸料与芯材：并排比较

材料特性

让我们来分析一下：

• 刚性：芯部坚硬;预浸料开始柔韧，并在层压后硬化。

• 介电常数：磁芯的 Dk 稳定（例如，4.3）;由于固化，预浸料略有不同 （4.2–4.5）。

• 厚度控制： 芯材提供精确的预设厚度;预浸料的最终厚度取决于层压压力和树脂流动性。

制造影响

在制造过程中，芯材在堆叠前单独蚀刻，而在层压过程中添加预浸料。箔结构（在芯和外铜箔之间使用预浸料）是其成本效益和产量的标准。电容结构，芯在外面，适合需要更严格 Dk 控制的微波板等小众情况，但会增加复杂性。

性能注意事项

在信号完整性方面，磁芯由于其较低的耗散因数和均匀的 Dk 而在高频场景中胜出。然而，Prepreg 擅长填充间隙和适应不平整的表面，这对于密集的多层板至关重要。10 层 PCB 可能会交替使用三个芯和四个预浸料层，以平衡刚度和绝缘性。

预浸料和核心如何影响信号完整性

阻抗控制

阻抗是高速设计中的王道。根据标准计算器，0.010 英寸磁芯 （Dk 4.3） 上的 50 欧姆微带线需要大约 0.018 英寸的走线宽度。将其换成具有可变 Dk（例如固化后 4.5）的预浸料层，宽度会发生变化，从而有错配的风险。Core 的一致性使其成为关键路径的首选。

信号丢失和串扰

在 5 GHz 时，FR4 内核的介损因数 （~0.02） 保持较低的信号损耗，而预浸料略高的损耗角正切 （~0.025） 会降低长走线的性能。更薄的预浸料层还可以通过使信号层更靠近接地层来减少串扰，例如，与 0.008 英寸相比，0.004 英寸的预浸料会切割耦合。

实用设计技巧

对于 USB 3.0 板 （5 Gbps），请使用差分对的内核（90 欧姆阻抗）和预浸料，以将其与电源层隔离。测试试样（具有相同叠层的迷你 PCB）可以验证实际的 Dk 和损耗值。

为您的叠层选择预浸料和芯材

设计要求

您的项目决定了组合：

• High-Speed：偏爱信号层的磁芯;使用预浸料进行粘合。

• 厚板： 用预浸料堆叠多个芯，以击中 0.093 英寸等目标。

• 成本：核心较少的闪结构比上限构建更省钱。

材料选择

FR4 占主导地位，但 Rogers 4350（Dk 3.5，低损耗）等替代品适合射频设计。10 GHz 天线可以将 Rogers 磁芯与 FR4 预浸料配对，以实现经济高效的绝缘。查看供应商数据表，例如 Isola 的 370HR 提供 4.0 的 Dk 和高达 180°C 的热稳定性。

常见叠层配置

4 层 PCB

• 箔构建： 铜箔、预浸料、芯（第 2-3 层）、预浸料、铜箔。

• 用例：通用板，如 Arduino 扩展板。

6 层 PCB

• 铝箔构建： 铝箔、预浸料、芯材 （2-3）、预浸料、芯材 （4-5）、预浸料、铝箔。

• 用例：带接地平面的高速数字。

8 层 PCB

• 铝箔构建： 铝箔、预浸料、芯 （2-3）、预浸料、芯 （4-5）、预浸料、芯 （6-7）、预浸料、铝箔。

• 用例：服务器或电信设备。

使用预浸料和芯材的挑战和解决方案

厚度可变性

由于树脂流动，预浸料的最终厚度可能会偏移 ±10%。解决方案：使用多层薄层（例如，三层 106 张）对一张厚的 7628 板材进行精确测量。

热应力

高层数电路板有分层的风险。选择高 Tg 材料（例如 Tg 为 170°C 的 FR4）和对称叠层，以均匀分布应力。

成本与性能

像 Rogers 这样的奇异核心会飙升成本。在性能允许的情况下与 FR4 预浸料进行平衡，为关键层保留特殊材料。

预浸料和芯材是 PCB 叠层的无名英雄，各自带来了独特的优势。Core 为电路提供刚性、稳定的基础，而预浸料则将其全部粘合在一起，确保设计的绝缘性和灵活性。对于工程师来说，掌握它们的相互作用意味着解锁更好的信号完整性、热性能和可制造性。无论您是在 5G 模块中追求 50 欧姆阻抗，还是构建经济实惠的物联网传感器，这些材料的正确组合都是您成功的门票。下次设计 PCB 时，请仔细考虑您的叠层——因为在这个游戏中，每一层都很重要。