Az FR-4 a nyomtatott áramköri lapok leggyakoribb anyaga, amely üvegszálból és epoxigyantából áll. Erős, könnyű és jó szigetelést biztosít, így számos elektronikai cikkhez a legalkalmasabb. Ez a cikk elmagyarázza az FR-4 felépítését, tulajdonságait, fokozatait, korlátait és tervezési tényezőit, részletes információkat nyújtva arról, hogy mikor és hogyan kell használni.
FR-4 áttekintés
Az FR-4 a nyomtatott áramköri lapok (PCB-k) gyártásához leggyakrabban használt anyag. Üvegszálból és epoxigyantából készül, ami erőssé és jól szigeteli az elektromosságot. Az FR égésgátlót jelent, ami azt jelenti, hogy ellenáll az égésnek, de ez nem mindig jelenti azt, hogy megfelel a szigorú UL 94 V-0 tűzbiztonsági szabványnak.
Ez az anyag népszerű, mert könnyű, tartós és megfizethető. Jó munkát végez a nedvességnek és a hőnek is, ami segít az elektronikus áramkörök stabilitásának megőrzésében. Az FR-4 használatának másik oka az, hogy könnyen egyrétegű vagy többrétegű táblákká alakítható anélkül, hogy sok költséget jelentene.
FR-4 laminált szerkezet
Ez a kép egy FR-4 laminátum réteges szerkezetét mutatja; a nyomtatott áramköri lapokban (PCB-k) leggyakrabban használt anyag. Felül és alul rézfólialapok alkotják a vezető rétegeket, amelyeket később áramköri mintákba maratnak. E rézlemezek között fekszik a mag: epoxigyantával impregnált szőtt üvegszövet. Az üvegszövés mechanikai szilárdságot és méretstabilitást biztosít, míg az epoxi megköti a szálakat és merevséget ad. Együtt szigetelő, mégis tartós alapot alkotnak. A rézfólia, az üvegszál és az epoxi kombinációja az FR-4-et erőssé, lángállóvá és ideálissá teszi a NYÁK-nyomok támogatására és védelmére.
Az FR-4 elektromos tulajdonságai
| Paraméter | FR-4 termékcsalád |
|---|---|
| Dielektromos állandó (DK) | 3.8 – 4.8 |
| Disszipációs tényező (Df) | \~0,018 – 0,022 |
| Dielektromos szilárdság | >50 kV/mm |
| Stabilitás | A gyakoriságtól és az üvegszövéstől függően változik |
Az FR-4 termikus tulajdonságai
| Ingatlan | Szabvány FR-4 | Kiváló minőségű FR-4 |
|---|---|---|
| Üvegesedési hőmérséklet (Tg) | 130–150 °C | ≥180 °C |
| Bomlási hőmérséklet (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Idő a rétegződésig (T260 / T288) | Alacsonyabb ellenállás | Nagyobb ellenállás |
FR-4 vastagság és halmozási lehetőségek
| Vastagság / típus | Előnyök | Korlátozások | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Vékony (<0,5 mm) | Könnyű, kompakt és rugalmassá tehető | Törékeny, nehezebben kezelhető az összeszerelés során | Szabványos (1,6 mm) | Iparági alapértelmezett, széles körben elérhető, költséghatékony | Korlátozza az ultrakompakt vagy nagy sűrűségű kiviteleket | Vastag (>2 mm) | Merevséget és jobb rezgésállóságot biztosít | Növeli az összsúlyt és a költséget |
| Egyedi többrétegű halmozások | Lehetővé teszi az impedancia szabályozását, támogatja a nagy sebességű jeleket és javítja az EMI árnyékolást | Precíz gyártási folyamatokat igényel, drágább |
Az FR-4 használata a NYÁK tervezéséhez
• Szórakoztató elektronika - Stabil alapanyagot biztosít, amely képes kezelni a mindennapi használatot és az alapvető energiaszükségleteket.
• Ipari vezérlők és automatizálás - Az FR-4 állandó teljesítményt nyújt olyan rendszerekben, amelyeknek tartósságra és állandó működésre van szükségük az idő múlásával.
• Tápegységek és átalakítók - A nagyon magas frekvenciák alatt működő áramkörökhöz az FR-4 a követelményeknek megfelelő szigetelést és teljesítményt biztosít.
• Költségérzékeny kialakítások - Ha a költségvetés számít, az FR-4 lehetővé teszi a gyártási költségek alacsonyan tartását a megbízhatóság feladása nélkül.
Az FR-4 korlátai és a jobb alternatívák
Ha az FR-4 nem megfelelő
• Nagyfrekvenciás áramkörök - Körülbelül 6–10 GHz felett az FR-4 nagyobb jelveszteséget okoz, ami alkalmatlanná teszi a fejlett RF vagy mikrohullámú kialakításokhoz.
• Ultra-magas adatátviteli sebesség - Az olyan sebességeknél, mint a PCIe Gen 5 és újabb (25+ Gbps), az FR-4 túl sok késleltetést és beillesztési veszteséget okoz, csökkentve a jel integritását.
• Magas hőmérsékleti körülmények - A szabványos FR-4 gyorsabban kezd lebomlani, ha körülbelül 150 °C-nál magasabb hőmérsékletnek van kitéve, így megbízhatatlan az ilyen környezetben történő hosszú távú használatra.
Az FR-4 alternatívái
| Anyag | Használati eset |
|---|---|
| Rogers laminátumok | Alacsony jelveszteséget igénylő RF és mikrohullámú kialakítások |
| PTFE kompozitok | Ultra-alacsony dielektromos veszteség a precíziós, nagyfrekvenciás áramkörökhöz |
| Poliimid | Magas hőmérsékleti kitartás zord környezetben |
| Kerámia | Extrém teljesítmény és tartósság terhelés alatt |
FR-4 fokozatok és felhasználások
Szabványos FR-4
A standard FR-4 üvegesedési hőmérséklete (Tg) körülbelül 130–150 °C. Ez a leggyakoribb minőség, amelyet elektronikában, irodai berendezésekben és szabványos ipari vezérlőrendszerekben használnak.
Magas Tg FR-4
A High-Tg FR-4 170–180 °C vagy magasabb Tg-t kínál. Ez a minőség az ólommentes forrasztási folyamatokhoz szükséges, és autóelektronikában, repülőgép-lemezekben és más, nagyobb hőstabilitást igénylő konstrukciókban használják.
Magas CTI FR-4
A magas CTI FR-4 600-as vagy annál nagyobb összehasonlító követési indexet (CTI) biztosít. Tápegységekhez, átalakítókhoz és nagyfeszültségű áramkörökhöz választják, ahol biztonságos kúszási és hézagtávolságra van szükség.
Halogénmentes FR-4
A halogénmentes FR-4 tulajdonságai hasonlóak a standard vagy magas Tg-tartalmú típusokhoz, de kerüli a halogén alapú égésgátlókat. Környezetbarát kialakításban használják, amelyeknek meg kell felelniük az RoHS és a REACH környezetvédelmi szabványoknak.
Jelintegritási problémák az FR-4-ben
Probléma
Az FR-4 szőtt üvegszövetet használ a szilárdság érdekében, de ez a szövés nem tökéletesen egyenletes. A differenciálpárok vezetésekor az egyik nyom főleg az üvegkötegeken haladhat át, amelyek dielektromos állandója nagyobb, míg a másik nyom áthalad a gyantán, amelynek alacsonyabb a dielektromos állandója. Ez az egyenetlen expozíció miatt a jelek kissé eltérő sebességgel haladnak, ami úgynevezett szálszövésű ferdeséget hoz létre.
Hatás
A két jel közötti sebességkülönbség időzítési eltérésekhez vezet. Nagy adatátviteli sebesség esetén ez az eltérés differenciális ferdeségként, hozzáadott jitterként, sőt szemdiagram bezárásként jelenik meg. Ezek a hatások csökkenthetik a jel integritását és korlátozhatják a nagy sebességű kommunikációs csatornák teljesítményét.
Megoldások
A differenciálpárok 10–15°-os szögben történő vezetése a szövéshez megakadályozza, hogy a nyomok közvetlenül az üvegkötegekhez igazodjanak. A szétterített üvegszövetek, például a 3313 stílusok kiválasztása egységesebbé teszi a dielektromos tulajdonságokat. A megdöbbentő differenciálpárok biztosítják, hogy mindkét nyomvonal hasonló anyagkeverékkel találkozzon. Az időzítési szimulációk költségvetési torzítása lehetővé teszi ezeknek a hatásoknak a megjósolását és elszámolását a gyártás előtt.
Nedvesség- és megbízhatósági kockázatok az FR-4-ben
A nedvesség hatásai
• Tg csökkentés a visszafolyás során - A felszívott nedvesség csökkenti az üvegesedési hőmérsékletet, ami kevésbé stabillá teszi az anyagot forrasztás közben, és rétegződéshez vezethet.
• Dielektromos lebomlás - Magas frekvenciákon a nedvesség növeli a dielektromos veszteséget, ami csökkenti a jel minőségét a GHz-es sebességű kivitelben.
• Vezetőképes anódos filamentáció (CAF) - Az egyik legsúlyosabb kockázat, a CAF akkor fordul elő, amikor a rézionok elektromos torzítás alatt vándorolnak át az epoxin, rejtett vezető utakat képezve, amelyek rövidzárlatot okozhatnak a nyomok vagy áthaladások között.
A nedvességproblémák csökkentése
• A táblákat szárazon és lezárva tárolja, hogy távol tartsa a nedvességet.
• Használat előtt süsse meg a deszkákat, ha nedvességnek voltak kitéve.
• Válassza a CAF-álló FR-4-et nagy sűrűségű vagy nagyfeszültségű kivitelekhez.
• Kövesse az IPC távolsági szabályait a rövidzárlatok kockázatának csökkentése érdekében.
Az FR-4 vásárlása előtt ellenőrizendő tényezők
• A félreértések elkerülése érdekében adja meg a laminált réteget és az IPC-4101 perjellapot.
• Adja meg a frekvenciaspecifikus dielektromos állandó (Dk) és disszipációs tényező (Df) értékeket a tervezett működési sávhoz.
• Erősítse meg a hőkövetelményeket Tg ≥ 170 °C-kal és Td > 300 °C-kal az ólommentes forrasztás és a hosszú távú hőstabilitás érdekében.
• Hívja fel a rézfólia érdességét a nagy sebességű rétegeknél a behelyezési veszteség minimalizálása érdekében.
• Vegye figyelembe az összehasonlító követési index (CTI) besorolását a nagyfeszültségű utak tervezésekor.
• Válasszon CAF-álló laminátumot sűrű átmenő mezőkhöz vagy nagyfeszültségű alkalmazásokhoz.
• Adjon hozzá kezelési vagy tárolási utasításokat a nedvesség szabályozása és a rétegződés megelőzése érdekében.
• Kérjen szétterített üvegszövetet a differenciálpárokhoz, hogy csökkentse a szálszövés ferdeségét.
Következtetés
Az FR-4 szilárdságot, szigetelést és költséghatékonyságot kínál, ezért továbbra is a szabványos NYÁK-anyag. Ennek ellenére vannak korlátai a magas frekvenciájú, nagy sebességű vagy magas hőmérsékletű körülmények között. Az elektromos, hő- és megbízhatósági tényezők ismeretével, valamint a megfelelő minőség kiválasztásával stabil teljesítményt biztosíthat, vagy jobb alternatívákra válthat, ha a tervek megkövetelik.
Gyakran ismételt kérdések [GYIK]
Mi az IPC-4101 az FR-4-ben?
Ez egy olyan szabvány, amely meghatározza az FR-4 laminált tulajdonságokat, például a Tg-t, a Dk-t és a nedvesség felszívódását.
Miben különbözik az FR-4 a fémmagos PCB-ktől?
Az FR-4 általános NYÁK-okhoz készült, míg a fémmagos NYÁK-ok alumíniumot vagy rezet használnak a jobb hőelvezetés érdekében.
Használható-e az FR-4 rugalmas PCB-kben?
Nem, az FR-4 merev. Csak a poliimid rétegekkel ellátott merev-flex kivitelek része lehet.
Mekkora az FR-4 nedvességfelvétele?
Körülbelül 0,10–0,20%, ami csökkentheti a stabilitást, ha nem megfelelően sütik vagy tárolnak.
Az FR-4 jó nagyfeszültségű áramkörökhöz?
Igen, a magas CTI-minőségeket (CTI ≥ 600) használják a tápegységekben és az átalakítókban.
Miért számít a rézfólia érdessége az FR-4-ben?
A durva fóliák növelik a jelveszteséget; A sima fóliák javítják a nagy sebességű teljesítményt.