FR-4 je nejběžnější materiál používaný pro desky plošných spojů, složený ze skleněných vláken a epoxidové pryskyřice. Je pevný, lehký a poskytuje dobrou izolaci, takže se nejlépe hodí pro mnoho elektroniky. Tento článek vysvětluje strukturu, vlastnosti, třídy, omezení a konstrukční faktory FR-4 a poskytuje podrobné informace o tom, kdy a jak by měl být použit.
Bod 3. Elektrické vlastnosti FR-4
Bod 4. Tepelné vlastnosti FR-4
Bod 5. Možnosti tloušťky a stohování FR-4
Kapitola 10. Rizika vlhkosti a spolehlivosti ve FR-4
Kapitola 11. Faktory, které je třeba zkontrolovat před nákupem FR-4
Č. 12. Závěr
Č. 13. Často kladené dotazy [FAQ]
Přehled FR-4
FR-4 je nejběžnějším materiálem používaným k výrobě desek plošných spojů (PCB). Je vyroben ze skleněných vláken a epoxidové pryskyřice, díky čemuž je silný a dobrý při izolaci elektřiny. FR znamená zpomalovač hoření, což znamená, že může odolat hoření, ale to nemusí vždy znamenat, že splňuje přísnou normu požární bezpečnosti UL 94 V-0.
Tento materiál je oblíbený, protože je lehký, odolný a cenově dostupný. Odvádí také dobrou práci při odolávání vlhkosti a teplu, což pomáhá elektronickým obvodům zůstat stabilní. Dalším důvodem, proč se FR-4 používá, je to, že jej lze snadno tvarovat do jednovrstvých nebo vícevrstvých desek bez přidání velkých nákladů.
Laminátová struktura FR-4
Tento obrázek znázorňuje vrstvenou strukturu laminátu FR-4; nejběžnějším materiálem používaným v deskách plošných spojů (PCB). V horní a dolní části tvoří desky z měděné fólie vodivé vrstvy, které budou později vyleptány do vzorů obvodů. Mezi těmito měděnými plechy leží jádro: tkaná skleněná tkanina impregnovaná epoxidovou pryskyřicí. Skleněná vazba poskytuje mechanickou pevnost a rozměrovou stabilitu, zatímco epoxid váže vlákna a dodává tuhost. Společně vytvářejí izolační, ale odolný základ. Díky kombinaci měděné fólie, skleněných vláken a epoxidu je FR-4 pevný, ohnivzdorný a ideální pro podporu a ochranu stop PCB.
Elektrické vlastnosti FR-4
| Parametr | Řada FR-4 |
|---|---|
| Dielektrická konstanta (Dk) | 3,8 až 4,8 |
| Ztrátový faktor (df) | \~0,018 – 0,022 |
| Dielektrická pevnost | >50 kV/mm |
| Stabilita | Mění se podle frekvence a skelné vazby |
Tepelné vlastnosti FR-4
| Majetek | Standardní FR-4 | Vysoce kvalitní FR-4 |
|---|---|---|
| Teplota skelného přechodu (Tg) | 130–150 °C | ≥180 °C |
| Teplota rozkladu (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Doba do delaminace (T260 / T288) | Nižší odpor | Vyšší odolnost |
Možnosti tloušťky a stohování FR-4
| Tloušťka / Typ | výhody | Omezení | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tenký (<0,5 mm) | Lehký, kompaktní a flexibilní | Křehký, obtížnější na manipulaci při montáži | Standardní (1,6 mm) | Výchozí v oboru, široce dostupný, cenově výhodný | Může omezit ultrakompaktní konstrukce nebo konstrukce s vysokou hustotou | Tloušťka (>2 mm) | Poskytuje tuhost a lepší odolnost proti vibracím | Zvyšuje celkovou hmotnost a náklady |
| Vlastní vícevrstvé stohy | Umožňuje řízení impedance, podporuje vysokorychlostní signály a zlepšuje stínění EMI | Vyžaduje přesné výrobní procesy, dražší |
Použití FR-4 pro návrh desek plošných spojů
• Spotřební elektronika - Poskytuje stabilní základní materiál, který zvládne každodenní použití a základní energetické potřeby.
• Průmyslové řízení a automatizace - FR-4 nabízí stabilní výkon v systémech, které vyžadují odolnost a konzistentní funkci v průběhu času.
• Napájecí zdroje a měniče - Pro obvody, které pracují pod velmi vysokými frekvencemi, poskytuje FR-4 izolaci a výkon, který splňuje požadavky.
• Cenově citlivé konstrukce – Když záleží na rozpočtech, FR-4 vám umožní udržet výrobní náklady nižší, aniž byste se museli vzdát spolehlivosti.
Limity FR-4 a lepších alternativ
Když FR-4 není vhodný
• Vysokofrekvenční obvody - Nad frekvencí přibližně 6–10 GHz způsobuje FR-4 vyšší ztrátu signálu, což jej činí nevhodným pro pokročilé RF nebo mikrovlnné konstrukce.
• Ultra vysoké přenosové rychlosti – Pro rychlosti jako PCIe Gen 5 a vyšší (25+ Gb/s) přidává FR-4 příliš velké zpoždění a vložný útlum, čímž snižuje integritu signálu.
• Vysokoteplotní podmínky - Standardní FR-4 se začíná rychleji rozkládat, když je vystaven teplotám vyšším než přibližně 150 °C, což jej činí nespolehlivým pro dlouhodobé použití v takových prostředích.
Alternativy k FR-4
| Materiál | Případ použití |
|---|---|
| Rogers lamináty | RF a mikrovlnné konstrukce vyžadující nízkou ztrátu signálu |
| PTFE kompozity | Ultra nízké dielektrické ztráty pro přesné, vysokofrekvenční obvody |
| Polyimid | Odolnost vůči vysokým teplotám v náročných prostředích |
| Keramika | Extrémní výkon a odolnost při zátěži |
Třídy a použití FR-4
Standardní FR-4
Standardní FR-4 má teplotu skelného přechodu (Tg) asi 130–150 °C. Je to nejběžnější třída, která se používá v elektronice, kancelářském vybavení a standardních průmyslových řídicích systémech.
FR-4 s vysokým Tg
High-Tg FR-4 nabízí Tg 170–180 °C nebo vyšší. Tato třída je vyžadována pro procesy bezolovnatého pájení a používá se v automobilové elektronice, leteckých deskách a dalších konstrukcích, které vyžadují vyšší tepelnou stabilitu.
Vysoké CTI FR-4
FR-4 s vysokým CTI poskytuje srovnávací index sledování (CTI) 600 nebo vyšší. Je vybrán pro napájecí zdroje, měniče a vysokonapěťové obvody, kde jsou vyžadovány bezpečné povrchové a průchodové vzdálenosti.
Bezhalogenový FR-4
Bezhalogenový FR-4 má vlastnosti podobné standardním typům nebo typům s vysokou Tg, ale vyhýbá se zpomalovačům hoření na bázi halogenů. Používá se v ekologických provedeních, která musí splňovat environmentální normy RoHS a REACH.
Problémy s integritou signálu ve FR-4
Problém
FR-4 používá pro pevnost tkanou skleněnou tkaninu, ale tato vazba není dokonale jednotná. Při směrování diferenciálních párů může jedna stopa procházet hlavně přes skleněné svazky, které mají vyšší dielektrickou konstantu, zatímco druhá stopa prochází přes pryskyřici, která má nižší dielektrickou konstantu. Tato nerovnoměrná expozice způsobuje, že se signály šíří mírně odlišnou rychlostí, což vytváří to, co se nazývá zkosení vláknové vazby.
Dopad
Rozdíl v rychlosti mezi těmito dvěma signály vede k nesouladu časování. Při vysokých rychlostech přenosu dat se tento nesoulad projevuje jako diferenciální zkosení, přidané kolísání a dokonce i uzavření očního diagramu. Tyto efekty mohou snížit integritu signálu a omezit výkon vysokorychlostních komunikačních kanálů.
Řešení
Diferenciální páry směrování pod úhlem 10–15° k vazbě pomáhají zabránit přímému zarovnání stop se svazky skla. Volba rozprostřených skleněných tkanin, jako jsou styly 3313, činí dielektrické vlastnosti rovnoměrnějšími ve všech oblastech. Ohromující diferenciální páry zajišťují, že se obě stopy setkávají s podobnou směsí materiálů. Zkosení rozpočtování v simulacích časování vám umožňuje předvídat a zohlednit tyto efekty před výrobou.
Rizika vlhkosti a spolehlivosti ve FR-4
Účinky vlhkosti
• Redukce Tg během přetavení - Absorbovaná vlhkost snižuje teplotu skelného přechodu, což činí materiál méně stabilním během pájení a může vést k delaminaci.
• Dielektrická degradace - Při vysokých frekvencích vlhkost zvyšuje dielektrické ztráty, což snižuje kvalitu signálu v konstrukcích s rychlostí GHz.
• Vodivá anodická filamentace (CAF) – Jedním z nejzávažnějších rizik je CAF, ke kterému dochází, když ionty mědi migrují epoxidem pod elektrickým předpětím a vytvářejí skryté vodivé cesty, které mohou způsobit zkraty mezi stopami nebo průchody.
Snížení problémů s vlhkostí
• Desky skladujte v suchu a utěsněné, aby se do nich nedostala vlhkost.
• Před použitím upečte desky, pokud byly vystaveny vlhkosti.
• Vyberte FR-4 odolný vůči CAF pro provedení s vysokou hustotou nebo vysokým napětím.
• Dodržujte pravidla pro rozestupy od IPC, abyste snížili riziko šortek.
Faktory, které je třeba zkontrolovat před nákupem FR-4
• Specifikujte třídu laminátu a lomítkový list IPC-4101, aby nedošlo k záměně.
• Zahrňte hodnoty dielektrické konstanty (Dk) a rozptylového faktoru (Df) specifické pro kmitočet pro zamýšlené provozní pásmo.
• Potvrďte tepelné požadavky pomocí Tg ≥ 170 °C a Td > 300 °C pro bezolovnaté pájení a dlouhodobou tepelnou stabilitu.
• Vyvolávejte drsnost měděné fólie pro vysokorychlostní vrstvy, abyste minimalizovali vložný útlum.
• Při navrhování pro vysokonapěťové trasy si všimněte srovnávacího indexu sledování (CTI).
• Vyberte laminát odolný proti CAF pro hustá pole nebo vysokonapěťové aplikace.
• Přidejte pokyny pro manipulaci nebo skladování, abyste kontrolovali vlhkost a zabránili delaminaci.
• Vyžádejte si rozprostřenou skleněnou tkaninu pro diferenciální páry, abyste snížili zkosení vláknité vazby.
Závěr
FR-4 nabízí pevnost, izolaci a nákladovou efektivitu, což je důvod, proč zůstává standardním materiálem PCB. Přesto má limity ve vysokofrekvenčních, vysokorychlostních nebo vysokoteplotních podmínkách. Pokud znáte jeho elektrické, tepelné a spolehlivostní faktory a vyberete správnou třídu, můžete zajistit stabilní výkon nebo přejít na lepší alternativy, když to návrhy vyžadují.
Často kladené dotazy [FAQ]
Co je IPC-4101 ve FR-4?
Je to standard, který definuje vlastnosti laminátu FR-4, jako je Tg, Dk a absorpce vlhkosti.
Jak se FR-4 liší od desek plošných spojů s kovovým jádrem?
FR-4 je pro běžné desky plošných spojů, zatímco desky plošných spojů s kovovým jádrem používají hliník nebo měď pro lepší odvod tepla.
Lze FR-4 použít ve flexibilních deskách plošných spojů?
Ne, FR-4 je tuhý. Může být pouze součástí konstrukcí rigid-flex s polyimidovými vrstvami.
Jaká je absorpce vlhkosti FR-4?
Přibližně 0,10–0,20 %, což může snížit stabilitu, pokud není správně upečeno nebo skladováno.
Je FR-4 vhodný pro vysokonapěťové obvody?
Ano, stupně s vysokým CTI (CTI ≥ 600) se používají v napájecích zdrojích a měničích.
Proč záleží na drsnosti měděné fólie u FR-4?
Hrubé fólie zvyšují ztrátu signálu; Hladké fólie zlepšují výkon při vysokých rychlostech.