FR-4 является наиболее распространенным материалом, используемым для печатных плат, состоящих из стекловолокна и эпоксидной смолы. Он прочный, легкий и обеспечивает хорошую изоляцию, что делает его наиболее подходящим для многих электронных устройств. В этой статье описываются структура, свойства, марки, ограничения и конструктивные факторы FR-4, а также подробная информация о том, когда и как его следует использовать.
С1. Описание FR-4
С2. FR-4 Структура ламината
С3. Электрические свойства FR-4
С4. Термические свойства FR-4
С5. Толщина FR-4 и варианты укладки
С6. Использование FR-4 для проектирования печатных плат
С7. Ограничения FR-4 и лучшие альтернативы
С8. FR-4 Марки и использование
С9. Проблемы с целостностью сигнала в FR-4
С10. Риски для влаги и надежности в FR-4
С11. Факторы, на которые стоит обратить внимание перед покупкой FR-4
С12. Заключение
С13. Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Обзор FR-4
FR-4 является наиболее распространенным материалом, используемым для изготовления печатных плат (PCB). Он изготовлен из стекловолокна и эпоксидной смолы, что делает его прочным и хорошо изолирует электричество. FR означает огнестойкий, что означает, что он может противостоять горению, но это не всегда означает, что он соответствует строгому стандарту пожарной безопасности UL 94 V-0.
Этот материал популярен, потому что он легкий, прочный и доступный. Он также хорошо справляется с защитой от влаги и тепла, что помогает электронным схемам оставаться стабильными. Еще одна причина, по которой используется FR-4, заключается в том, что ему можно легко придать форму однослойной или многослойной плиты без больших затрат.
Структура ламината FR-4
На этом изображении показана слоистая структура ламината FR-4; наиболее распространенный материал, используемый в печатных платах (ПХБ). Сверху и снизу листы медной фольги образуют проводящие слои, которые позже будут вытравлены в схемы. Между этими медными листами лежит сердцевина: тканая стеклоткань, пропитанная эпоксидной смолой. Стеклянное плетение обеспечивает механическую прочность и стабильность размеров, в то время как эпоксидная смола связывает волокна и придает жесткость. Вместе они создают изолирующую, но прочную основу. Сочетание медной фольги, стекловолокна и эпоксидной смолы делает FR-4 прочным, огнестойким и идеальным для поддержки и защиты следов печатной платы.
Электрические свойства FR-4
| Параметр | Серия FR-4 |
|---|---|
| Диэлектрическая проницаемость (Dk) | 3,8 – 4,8 |
| Коэффициент диэлектрических потерь (Df) | \~0,018 – 0,022 |
| Диэлектрическая прочность | >50 кВ/мм |
| Стабильность | Варьируется в зависимости от частоты и переплетения стекла |
Термические свойства FR-4
| Имущество | Стандарт FR-4 | Высокосортный FR-4 |
|---|---|---|
| Температура стеклования (Tg) | 130–150 °C | ≥180 °C |
| Температура разложения (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Время до расслоения (T260 / T288) | Более низкое сопротивление | Повышенная прочность |
Толщина FR-4 и варианты укладки
| Толщина / Тип | Преимущества | Ограничения | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Тонкий (<0,5 мм) | Легкий, компактный и гибкий | Хрупкий, более сложный в обращении при сборке | Стандартный (1,6 мм) | Стандартный в отрасли, широко доступный, экономичный | Может ограничивать сверхкомпактные конструкции или конструкции с высокой плотностью ... | Толстый (>2 мм) | Обеспечивает жесткость и повышенную устойчивость к вибрации | Увеличивает общий вес и стоимость |
| Пользовательские многослойные укладки | Позволяет регулировать импеданс, поддерживает высокоскоростные сигналы и улучшает экранирование от электромагнитных помех | Требует точных производственных процессов, дороже |
Использование FR-4 для проектирования печатных плат
• Бытовая электроника - это стабильный базовый материал, который может справиться с повседневным использованием и основными потребностями в питании.
• Промышленное управление и автоматизация - FR-4 обеспечивает стабильную работу в системах, требующих долговечности и стабильной работы в течение долгого времени.
• Источники питания и преобразователи - для цепей, работающих ниже очень высоких частот, FR-4 обеспечивает изоляцию и производительность, соответствующие требованиям.
• Экономичные конструкции - Когда бюджет имеет значение, FR-4 позволяет снизить производственные затраты без ущерба для надежности.
Ограничения FR-4 и лучшие альтернативы
Когда FR-4 не подходит
• Высокочастотные цепи - Выше 6–10 ГГц FR-4 вызывает более высокие потери сигнала, что делает его непригодным для современных ВЧ- или СВЧ-конструкций.
• Сверхвысокая скорость передачи данных - Для таких скоростей, как PCIe Gen 5 и выше (25+ Гбит/с), FR-4 добавляет слишком большую задержку и вносимые потери, снижая целостность сигнала.
• Высокотемпературные условия - стандартный FR-4 начинает быстрее разрушаться при воздействии температур выше примерно 150 °C, что делает его ненадежным для длительного использования в таких условиях.
Альтернативы FR-4
| Материал | Пример использования |
|---|---|
| Ламинат Rogers | ВЧ и СВЧ конструкции с низкими потерями сигнала |
| Композиты из ПТФЭ | Сверхнизкие диэлектрические потери для прецизионных высокочастотных цепей |
| Полиимид | Устойчивость к высоким температурам в суровых условиях |
| Керамика | Исключительная производительность и долговечность при нагрузках |
Марки и использование FR-4
Стандарт FR-4
Стандарт FR-4 имеет температуру стеклования (Tg) около 130–150 °C. Это самый распространенный сорт, используемый в электронике, офисной технике и стандартных системах промышленного управления.
FR-4 с высокой Tg
High-Tg FR-4 обеспечивает Tg 170–180 °C или выше. Этот сплав требуется для процессов бессвинцовой пайки и используется в автомобильной электронике, аэрокосмических платах и других конструкциях, требующих более высокой термической стабильности.
Высокий CTI FR-4
High-CTI FR-4 обеспечивает сравнительный индекс отслеживания (CTI) 600 или выше. Он выбирается для источников питания, преобразователей и высоковольтных цепей, где требуется безопасное расстояние утечки и зазора.
Безгалогенный FR-4
Безгалогенный FR-4 обладает свойствами, аналогичными стандартным или высокотемпературным типам, но в нем отсутствуют антипирены на основе галогенов. Он используется в экологически чистых конструкциях, которые должны соответствовать экологическим стандартам RoHS и REACH.
Проблемы с целостностью сигнала в FR-4
Проблема
В FR-4 для прочности используется тканая стеклоткань, но это переплетение не идеально равномерно. При трассировке дифференциальных пар одна трасса может проходить в основном над стеклянными пучками, которые имеют более высокую диэлектрическую проницаемость, в то время как другая трасса проходит над смолой, которая имеет более низкую диэлектрическую проницаемость. Эта неравномерная экспозиция приводит к тому, что сигналы распространяются с немного разной скоростью, создавая то, что называется перекосом волокон.
Воздействие
Разница в скорости между двумя сигналами приводит к несовпадению времени. При высоких скоростях передачи данных это несоответствие проявляется в виде дифференциального перекоса, добавленного джиттера и даже замыкания глазковой диаграммы. Эти эффекты могут снижать целостность сигнала и ограничивать производительность высокоскоростных каналов связи.
Решения
Трассировка дифференциальных пар под углом 10–15° к ткацкому полотну помогает предотвратить прямое выравнивание дорожек со стеклянными пучками. Выбор стеклотканей, таких как 3313, делает диэлектрические свойства более однородными по всем направлениям. Шахматное расположение дифференциальных пар гарантирует, что обе трассы будут сталкиваться с аналогичной смесью материалов. Перекос в бюджете при моделировании по времени позволяет прогнозировать и учитывать эти эффекты до изготовления.
Риски влажности и надежности в FR-4
Воздействие влаги
• Уменьшение Tg во время оплавления - поглощенная влага снижает температуру стеклования, что делает материал менее стабильным во время пайки и может привести к расслоению.
• Деградация диэлектрика - На высоких частотах влага увеличивает диэлектрические потери, что снижает качество сигнала в конструкциях с ГГц-скоростями.
• Проводящая анодная нить (CAF) - один из самых серьезных рисков, CAF возникает, когда ионы меди мигрируют через эпоксидную смолу под воздействием электрического тока, образуя скрытые проводящие пути, которые могут вызвать короткое замыкание между проводниками или переходными отверстиями.
Уменьшение проблем с влажностью
• Храните доски сухими и герметичными, чтобы не допустить попадания влаги.
• Выпекайте доски перед использованием, если они подвергались воздействию влаги.
• Выбирайте устойчивый к CAF FR-4 для конструкций с высокой плотностью или высоким напряжением.
• Соблюдайте правила интервалов от IPC, чтобы снизить риск короткого замыкания.
Факторы, которые нужно проверить перед покупкой FR-4
• Укажите сорт ламината и лист косой черты IPC-4101, чтобы избежать путаницы.
• Включите значения диэлектрической проницаемости (Dk) и коэффициента диэлектрических потерь (Df) для предполагаемой рабочей полосы.
• Подтвердите температурные требования с помощью Tg ≥ 170 °C и Td > 300 °C для бессвинцовой пайки и долгосрочной термостойкости.
• Определите шероховатость медной фольги для высокоскоростных слоев, чтобы свести к минимуму вносимые потери.
• Обратите внимание на рейтинг сравнительного индекса слежения (CTI) при проектировании высоковольтных трасс.
• Выбирайте ламинат, устойчивый к CAF, для плотных переходных полей или высоковольтных применений.
• Добавьте инструкции по обращению или хранению, чтобы контролировать влажность и предотвратить расслоение.
• Запросите накрытую стеклянную ткань для дифференциальных пар, чтобы уменьшить перекос волокон и переплетений.
Заключение
FR-4 обеспечивает прочность, изоляцию и экономичность, поэтому он остается стандартным материалом для печатных плат. Тем не менее, у него есть ограничения в высокочастотных, высокоскоростных или высокотемпературных условиях. Зная его электрические, тепловые факторы и факторы надежности, а также выбрав правильный сплав, вы можете обеспечить стабильную работу или переключиться на лучшие альтернативы, когда этого требуют конструкции.
Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Что такое IPC-4101 в FR-4?
Это стандарт, который определяет свойства ламината FR-4, такие как Tg, Dk и влагопоглощение.
Чем FR-4 отличается от печатных плат с металлическим сердечником?
FR-4 предназначен для печатных плат общего назначения, в то время как в печатных платах с металлическим сердечником используется алюминий или медь для лучшего рассеивания тепла.
Можно ли использовать FR-4 в гибких печатных платах?
Нет, FR-4 жесткий. Он может быть только частью гибко-жестких конструкций с полиимидными слоями.
Каково влагопоглощение FR-4?
Около 0,10–0,20%, что может снизить стабильность, если не выпекать или не хранить должным образом.
Подходит ли FR-4 для высоковольтных цепей?
Да, марки с высоким CTI (CTI ≥ 600) используются в блоках питания и преобразователях.
Почему шероховатость медной фольги имеет значение в FR-4?
Грубые фольги увеличивают потери сигнала; Гладкая фольга улучшает работу на высоких скоростях.