Was ist FR4-Material?

Was ist FR4-Material?

Auswahl der richtiges Leiterplatten-Material ist entscheidend für die Leistung, Zuverlässigkeit und die Kosten Ihres elektronischen Projekts. FR4-Leiterplatten-Material ist der am häufigsten verwendete Werkstoff in der Leiterplattenindustrie. In diesem umfassenden Leitfaden untersuchen wir, warum FR4 der Standard ist, welche Schl Eigenschaften, Vorteile und Grenzen es hat, Tipps zur Auswahl des richtigen FR4-Materials sowie den Vergleich mit anderen Leiterplatten-Materialien.

Was ist FR4?

Fr4 steht für Flammhemmend 4 , ein glasfaserverstärktes Epoxidharz-Laminat. Diese Verbundstruktur verleiht FR4 außergewöhnliche mechanische Festigkeit, gute elektrische Isolation und entscheidende Flammwidrigkeit, wodurch es zur Standardwahl bei der Leiterplattenfertigung wird.

FR4 definieren: Mehr als nur ein Name

Fr4 steht für „ Flammhemmend 4 “, und bezeichnet eine spezifische Güteklasse von glasverstärktes Epoxidharz-Laminat material, das als Grundlage für Leiterplatten verwendet wird. Das „FR“ steht für seine flammhemmenden Eigenschaften, die für die Einhaltung elektronischer Sicherheitsvorschriften entscheidend sind, während die „4“ eine Kennzeichnung unter verschiedenen flammhemmenden Materialien ist (wie FR1, FR2, FR3 und FR5).

FR4 wird aus gewebtes Glasfasertuch verbunden mit einem hochtemperaturbeständigen Epoxidharz . Diese Verbundkonstruktion ergibt ein mechanisch robustes, elektrisch isolierendes und flammwidriges material – wodurch es sich ideal als Träger für eine Vielzahl von Leiterplatten-Anwendungen , von einfachen einlagigen Prototypen bis hin zu komplexen mehrschichtigen Hochgeschwindigkeitsdesigns, eignet.

Wichtige Punkte:

• FR: Flammhemmend, entscheidend für die Sicherheit
• 4: Zeigt die glasverstärkte Epoxidzusammensetzung an

Eigenschaften des FR4-Materials

• Flammwidrigkeit: Selbstverlöschend, verhindert die Ausbreitung von Feuer.
• Elektrische Isolation: Hoher elektrischer Widerstand, isoliert Leiterbahnen auf Leiterplatten.
• Mechanische Festigkeit: Langlebig, leicht und schlagfest.
• Dielektrizitätskonstante (Dk): 4,2–4,8 (variiert je nach Hersteller und Dicke); beeinflusst Impedanz und Signalintegrität.
• Verlustfaktor (Df): Typischerweise 0,02; beeinflusst den Signalverlust, besonders bei Hochfrequenzen.
• Feuchtigkeitsaufnahme: Weniger als 0,2 %; erhält Eigenschaften in feuchten Umgebungen.
• Glaspunkt-Temperatur (Tg): Typischerweise 135–180 °C.

Eigenschaftsvergleich nach Hersteller

Arten von FR4-PCB-Material

• Standard-FR4: Für allgemeine Anwendungen (TG 135–150 °C).
• Hoch-TG-FR4: Kann höheren Temperaturen standhalten (bis zu 180 °C); ideal für bleifreies Löten und die Automobilindustrie.
• Hoch-CTI-FR4: Hoher Comparative Tracking Index; verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen elektrisches Kriechen.
• FR4 ohne Kupferlaminat: Wird zur Isolierung und in nichtleitenden Anwendungen verwendet.

Vorteile von FR4 in Leiterplatten

• Erschwinglich: Ideal für Prototyping sowie kleine und mittlere Produktionsmengen.
• Leichtgewicht und Festigkeit: Ausgezeichnetes Festigkeits- zu Gewichtsverhältnis.
• Niedrige Wasseraufnahme: Zuverlässig in feuchten Umgebungen oder anfeuchtungsgefährdeten Anwendungen.
• Guter Isolator: Gewährleistet die Schaltkreisisolation und Signalintegrität.

Nachteile und Grenzen von FR4-Leiterplatten

• Nicht für Hochtemperaturanwendungen geeignet: Max. TG beträgt ca. 180 °C; nicht geeignet für Luft- und Raumfahrt oder anspruchsvolle Leistungselektronik.
• Bleiarmes Löten: Schwierigkeiten, Temperaturen über 250 °C ohne thermische Zersetzung standzuhalten.
• Hochfrequenz-Grenzen: Variabler Dk und höherer Df können Hochgeschwindigkeits-, HF- und Mikrowellenschaltungen beeinträchtigen.
• Herstellungsprobleme: Mögliche Gefahr von Gewebeausspülung, Rissbildung, Mehltauoptik und Delaminierung, wenn nicht ordnungsgemäß verarbeitet.

FR4 im Vergleich zu anderen FR-Bewertungen

FR4-Leiterplatten-Anwendungen

• Unterhaltungselektronik: Smartphones, Wearables, Haushaltsgeräte.
• Industriesteuerungen: Automatisierung, Messtechnik.
• LED-Beleuchtung: Leiterplatten für LED-Arrays.
• Automotive-Schaltungen: Standardmodule.
• Prototyping: Aufgrund der Erschwinglichkeit und einfachen Verarbeitung.

IMS vs. FR4: IMS (Isolierte Metallträger)-Leiterplatten verwenden eine metallische Basis zur Wärmeableitung, während FR4 sich am besten für Signalintegrität und allgemeine Anwendungen eignet.

Verwendung von FR4 in der Leiterplattenfertigung

• Isolierter Träger: Kernmaterial zwischen Kupferschichten in einlagigen/zweilagigen/mehrlagigen Leiterplatten.
• Kupferlaminierung: Kupferfolienschichten werden mit FR4 verbunden und geätzt, um Schaltmuster zu bilden.

So wählen Sie die richtige FR4-Dicke

• Dünnes FR4 (0,2–0,6 mm): Kleine, leichte, flexible Leiterplattenbaugruppen.
• Standard-FR4 (1,0–1,6 mm): Die meisten Consumer- und Industrie-Leiterplatten.
• Dickes FR4 (bis zu 3,2 mm): Leistungsschaltungen, Steckverbinder, hohe mechanische Belastung.

Faktoren zu berücksichtigen:

• Größen- und Gewichtsbeschränkungen
• Komponentenhöhe
• Elektrische Impedanz
• Erforderliche Flexibilität oder Steifigkeit

Tipps zur Auswahl des richtigen FR4-Materials

• TG-Wert an die maximale Löttemperatur anpassen.
• Für signalrelevante Konstruktionen konstantes Dk sicherstellen.
• Für Hochfrequenz- oder Hochspannungsanwendungen Typen mit hohem CTI oder hohem TG berücksichtigen.
• Für feuchte oder Außeneinsätze Varianten mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme wählen.

Kostenfaktoren für FR4-Leiterplatten

• Kosten pro Quadratzoll: Variiert je nach Dicke, Kupfergewicht, TG-Typ, Bestellmenge und Oberfläche.
• Großbestellung: Niedrigere Stückkosten bei höheren Mengen.

Industriestandards: IPC-A-600 und FR4

IPC-A-600 legt Qualitätsstandards für FR4-Leiterplattenmaterialien fest, einschließlich:

• Akzeptanzkriterien für Gewebeaustretung
• Zulässige Oberflächenstruktur und Unterschichtbedingungen
• Grenzwerte für Mehlung, Rissbildung und Delaminierung zur Zuverlässigkeit von Leiterplatten

Warum sollte man sich mit FR4-Leiterplattenmaterial beschäftigen?

Egal ob Sie Entwicklungsingenieur oder Entscheidungsträger im Einkauf von Elektronik sind – das Verständnis der FR4-Materialeigenschaften hilft bei:

• Die Auswahl des Besten Leiterplatten-Substratmaterial für Ihr Budget und Ihre technischen Anforderungen.
• Sicherstellung langfristiger Zuverlässigkeit von Leiterplatten und Produktsicherheit.
• Vermeidung von Problemen mit signalverlust , impedanzabgleich , oder mechanischem Versagen in fertigen Produkten.
• Einhaltung von Branchenstandards wie UL, IPC und RoHS

Aufbau von FR4-Material

Analysieren wir, was ausmacht Fr4 material so effektiv und vielseitig:

• Glasfaser (gewebtes Gewebe): Dieser Kern bietet beeindruckende mechanische Festigkeit , Maßhaltigkeit und Steifigkeit, wodurch sichergestellt wird, dass das PCB auch unter Belastung, Vibration oder Temperaturwechsel seine Form beibehält.
• Epoxidharz (Bindemittel/Matrix): Das Epoxidharz ist der „Klebstoff“, der die Glasfaser umschließt und so eine hervorragende elektrische Isolierung und beeindruckende chemische Beständigkeit bewirkt. Seine glasübergangstemperatur (Tg) bestimmt die maximale Betriebstemperatur.

Zusammen ergeben diese Komponenten ein Substrat mit hervorragende elektrische Eigenschaften, geringe Feuchtigkeitsaufnahme und starke Flammwidrigkeit .

Aufbau des FR4-Leiterplatten-Materials

*Hinweis: Kupferfolie und Lötmaske sind Teil des Ganzen PCB-Fertigungsprozess , nicht das FR4-Blatt selbst, aber sie interagieren eng mit den Eigenschaften von FR4.

Wesentliche Merkmale von FR4

• Flammenhemmend: Erfüllt UL94-V0, selbstverlöschend innerhalb von 10 Sekunden nach Entfernung der Flamme.
• Hohe Dielektrizitätsstärke : Gewährleistet elektrische Isolation zwischen Kupferbahnen.
• Mechanische Festigkeit : Hervorragende Dimensionsstabilität und Verzugfestigkeit.
• Feuchtigkeitsbeständigkeit: Geringe Wasseraufnahme (<0,2 %); die Leistung wird durch Luftfeuchtigkeit nicht wesentlich beeinträchtigt.
• Glaspunkt-Temperatur (Tg): Liegt zwischen 130 °C (Standard) und bis zu 200 °C (High-TG FR4).
• Kosteneffizient: Bietet eines der besten Preis-Leistungs-Verhältnisse in der Industrie.

Schnellübersicht: FR4 im Überblick

FR4 in der Leiterplattenherstellung

FR4-PCB-Substrat ist nicht nur für Consumer-Elektronik, sondern auch für industrielle, automobil-, militär- und luftfahrttaugliche Leiterplatten . Seine ausgewogenen Materialeigenschaften ermöglichen die Integration von durchsteckkomponenten, Kantensteckverbindern, Lötstopplackanwendungen, Mehrlagen-Leiterplattenarchitekturen , und mehr.

Zitat: „Ohne die Innovation von flammgeschütztem glasfaserverstärktem Epoxid wie FR4 wären Zuverlässigkeit und Zugänglichkeit moderner Elektronik einfach nicht möglich.“ — Senior-Werkstoffwissenschaftler, Globaler Leiterplattenhersteller

So bestimmen Sie die FR4-Dicke für das Leiterplattendesign

Warum die FR4-Dicke wichtig ist

FR4-Leiterplattendicke beeinflusst mehrere Aspekte der Zuverlässigkeit und Funktion einer Leiterplatte:

• Signalintegrität : Dickere oder dünnere Substrate beeinflussen die gesteuerte Impedanz und die Breite der Übertragungsleitungen, was besonders bei Hochfrequenz- und HF-Leiterplattendesigns wichtig ist.
• Mechanische Festigkeit : Dickeres FR4 bietet eine verbesserte mechanische Stabilität, um schwere Bauteile und Anschlüsse zu unterstützen sowie Biegung oder Vibrationen entgegenzuwirken.
• Raumeffizienz : Geräte wie Smartphones, Wearables und medizinische Geräte benötigen möglicherweise dünnere Leiterplatten für kompakte Bauformen.
• Thermisches Management : Dickere Leiterplatten können Wärme in Leistungselektroniken effizienter abführen, können jedoch Wärme auch einschließen, wenn sie nicht richtig ausgelegt sind.
• Kosten : Dickere Leiterplatten erfordern in der Regel mehr Material und können teurer in der Herstellung sowie bei Bohr-, Beschichtungs- und Laminierprozessen sein.

Gängige FR4-Dickenoptionen

Obwohl Sonderdicken möglich sind, helfen Standardgrößen dabei, die PCB-Fertigungsprozess und stellen die Kompatibilität mit gängigen Montage- und Konstruktionspraktiken sicher. Hier eine schnelle Übersicht:

Interessante Tatsache: Die gebräuchlichste Industriesstandarddicke für eine FR4-Leiterplatte beträgt 1,6 mm (0,063 Zoll) —eine ideale Kombination aus Haltbarkeit, Herstellbarkeit und Kompatibilität für die meisten Bauteil- und Kantensteckverbinderprofile.

So wählen Sie die richtige FR4-Dicke für Ihre Leiterplatte aus

Wichtige Aspekte bei der Auswahl der FR4-Dicke

Im Folgenden sind die wichtigsten Faktoren aufgeführt, die bei der Entscheidung für FR4-Materialdicke für Ihr Leiterplattendesign:

1. Anwendung und Einsatzumgebung

• Tragbare Geräte und multifunktionale IoT-Geräte erfordern oft ultradünne Leiterplatten (0,2–0,8 mm) für geringes Gewicht und kompakte Bauweise.
• Automotive-, Industriesteuerungs- und Militär/Luftfahrt-Leiterplatten profitieren von dickerem FR4 (1,6 mm und darüber) für zusätzliche mechanische Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Vibrationen, Stößen und Umweltschäden.
• Hochfrequenz- und HF-Leiterplatten können präzise Schichtaufbauten und angepasste Dicken für gesteuerte Impedanz erfordern.

2. Elektrische Leistung: Signalintegrität und Impedanz

• Der Abstand zwischen den Schichten (bestimmt durch die Dicke von Core und Prepreg) beeinflusst direkt die Signalübertragung, impedanzabgleich , und signalintegrität .
• Hochgeschwindigkeitsdesign verwendet Feldlöser zur Berechnung der genauen Leiterbahnbreite und -abstände – ein Prozess, bei dem sich die Impedanzvorgaben bereits durch geringfügige Änderungen der FR4-Dicke verschieben können.

3. Bauteilprofil und Montage

• Hohe Durchsteckbauteile oder Kantenleistenanschlüsse erfordern ein dickeres Substrat für eine robuste mechanische Verankerung.
• SMT-Platinen (Surface Mount Technology), insbesondere solche mit feinen Rastern, können oft dünnere Leiterplatten verwenden, um eine präzise Bestückung zu ermöglichen.

4. Thermische und mechanische Belastungen

• Leistungsleiterplatten und Platinen, die schnellen Temperaturwechseln ausgesetzt sind, benötigen möglicherweise eine größere Dicke für eine bessere thermische Ausdehnung leistung und Wärmeableitung.
• Flexibilität ist bei bestimmten Verbindungen und dynamischen Teilen erforderlich (wie bei Flex-Rigid-Leiterplatten), während Steifigkeit bei lasttragenden oder mobilen Anwendungen wichtig ist.

5. Fertigungs- und Montagebeschränkungen

• Die Fähigkeiten und Ausrüstung des Herstellers können Ihre Auswahl einschränken; nicht alle Leiterplattenfabriken unterstützen individuelle Dicken oder ultradünne Substrate.

Schnellreferenztabelle: FR4-Dicken und Anwendungsfälle

Vorteile der Verwendung von FR4 als Leiterplattenmaterial

Die Wahl des richtigen Trägermaterials ist die Grundlage für jedes erfolgreiche Leiterplattendesign, und Fr4 material hat sich aus überzeugenden Gründen als Industriestandard etabliert. Ob Sie ein einfaches Verbrauchergerät, ein mehrlagiges Steuersystem für Industriemaschinen oder die nächste Innovation im IoT-Bereich entwickeln – FR4 bietet Eigenschaften, die zuverlässig den strengen elektrischen, thermischen und mechanischen Anforderungen gerecht werden – und das zu einem Preis, der sowohl für große Hersteller als auch für kleine Prototypenwerkstätten erschwinglich ist.

Auf einen Blick: Wichtige Vorteile des FR4-Leiterplattenmaterials

Anwendungen von FR4-Leiterplatten

FR4-Leiterplatten-Anwendungstabelle

Warum ist Rogers besser als FR4-Material?

Bei der Konstruktion von Hochleistungs-Leiterplatten ist die Wahl des Substratmaterials entscheidend. Rogers und Fr4 sind zwei der gebräuchlichsten Leiterplattenmaterialien – aber wann wählt man Rogers, und warum gilt Rogers besonders für anspruchsvolle Anwendungen oft als besser als FR4?

Wesentliche Unterschiede zwischen Rogers- und FR4-Leiterplattenmaterialien

Wesentliche Gründe, warum Rogers besser ist als FR4

1. Überlegene Hochfrequenzleistung Rogers-Leiterplatten weisen eine deutlich niedrigere und stabilere Dielektrizitätskonstante auf, wodurch Signalverluste und -verzerrungen minimiert werden – selbst bei hohen Frequenzen. Dies ist entscheidend für Anwendungen wie HF, Mikrowellen, 5G und Luft- und Raumfahrt.

2. Geringerer Signalverlust (niedriger Verlustfaktor) Dank ihres geringen Verlustwinkels ermöglichen Rogers-Laminate sauberere und schnellere Signalübertragung. FR4 hingegen neigt dazu, mehr Signal zu absorbieren, was zu höheren Verlusten führt – insbesondere bei steigenden Frequenzen.

3. Hervorragendes thermisches Management Rogers-Materialien vertragen höhere Temperaturen und bieten eine bessere thermische Stabilität als FR4, wodurch sie für anspruchsvolle Umgebungen (z. B. Automobilradar, Satellitenkommunikation) zuverlässig sind.

4. Konsistente elektrische Eigenschaften Rogers gewährleistet ein gleichmäßiges Signalverhalten über die gesamte Leiterplatte, was bei präzisen Konstruktionen entscheidend ist. Die elektrischen Eigenschaften von FR4 können sich je nach Temperatur und Frequenz ändern.

Wann sollten Sie Rogers statt FR4 verwenden?

• HF-, Mikrowellen- und Millimeterwellen-Leiterplatten
• Hochgeschwindigkeits-Digitalstromkreise (Rechenzentren, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt)
• Fortgeschrittene Automobilradarsysteme und Sensoren
• Jede Anwendung, bei der Signalintegrität und geringe Signalverluste Priorität haben

Wann ist FR4 immer noch eine gute Wahl?

• Unterhaltungselektronik und Allzweck-Platinen mit moderaten Geschwindigkeitsanforderungen
• Kostenempfindliche Anwendungen ohne strenge Hochfrequenzstandards