متریال FR4 چیست؟

متریال FR4 چیست؟

انتخاب انتخاب متریال مناسب برد برای عملکرد، قابلیت اطمینان و هزینه پروژه الکترونیکی شما حیاتی است. متریال برد FR4 پرکاربردترین زیرلایه در صنعت برد مدار چاپی است. در این راهنمای جامع، به بررسی دلایل استاندارد بودن FR4، ویژگی‌های کلیدی، مزایا و محدودیت‌های آن، نکاتی برای انتخاب مواد FR4 مناسب و مقایسه آن با سایر گزینه‌های مواد برد مدار چاپی می‌پردازیم.

FR4 چیست؟

FR4 مخفف شماره ۴ ضد شعله ، که یک ورق اپوکسی تقویت‌شده با فیبر شیشه است. این ساختار کامپوزیتی به FR4 استحکام مکانیکی برجسته، عایت الکتریکی خوب و مقاومت ضروری در برابر شعله می‌دهد و آن را به گزینه پیش‌فرض برای ساخت برد مدار چاپی تبدیل می‌کند.

تعریف FR4: بیش از یک نام

FR4 به معنای " شماره ۴ ضد شعله " است و به یک درجه خاص از ماده ورق اپوکسی تقویت‌شده با شیشه اشاره دارد که به عنوان پایه برد مدار چاپی استفاده می‌شود. «FR» نشان‌دهنده قابلیت ضد شعله آن است که برای انطباق با استانداردهای ایمنی الکترونیکی حیاتی است، در حالی که «4» یک شناسه در میان انواع مواد ضد شعله (مانند FR1، FR2، FR3 و FR5) است.

FR4 از کلاهک فیبرگلس بافته شده که با یک رزین اپوکسی با دمای انتقال شیشه‌ای بالا . این ساختار کامپوزیتی یک ماده مقاوم مکانیکی، عایق الکتریکی و مقاوم در برابر شعله را ایجاد می‌کند و آن را به عنوان زیرساخت ایده‌آلی برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای برد مدار چاپی (PCB) ، از نمونه‌های تک‌لایه تا طراحی‌های پیچیده چندلایه با سرعت بالا، تبدیل می‌کند.

نکات کلیدی:

• FR: ضد شعله، عاملی حیاتی برای ایمنی
• 4: نشان‌دهنده ترکیب اپوکسی تقویت‌شده با فیبر شیشه است

ویژگی‌های ماده FR4

• مقاومت در برابر شعله: خود خاموش‌شونده، از گسترش آتش جلوگیری می‌کند.
• عایق الکتریکی: مقاومت الکتریکی بالا، عایق مسیرهای PCB.
• قدرت مکانیکی: محکم، سبک و مقاوم در برابر ضربه.
• ثابت دی‌الکتریک (Dk): ۴٫۲ تا ۴٫۸ (بسته به تولیدکننده و ضخامت متغیر است); بر امپدانس و یکپارچگی سیگنال تأثیر می‌گذارد.
• ضریب اتلاف (Df): معمولاً ۰٫۰۲؛ بر اتلاف سیگنال، به‌ویژه در فرکانس‌های رادیویی تأثیر می‌گذارد.
• جذب رطوبت: کمتر از ۰٫۲٪؛ خواص خود را در محیط‌های مرطوب حفظ می‌کند.
• دمای انتقال شیشه‌ای (Tg): معمولاً ۱۳۵ تا ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد.

مقایسه ویژگی‌ها بر اساس تولیدکننده

انواع مواد برد مدار چاپی FR4

• FR4 استاندارد: برای کاربردهای عمومی (دمای TG 135 تا 150 درجه سانتی‌گراد).
• FR4 با دمای بالا (High TG): مقاوم در برابر دماهای بالاتر (تا 180 درجه سانتی‌گراد)؛ ایده‌آل برای لحیم‌کاری بدون سرب و صنعت خودرو.
• FR4 با CTI بالا: شاخص تحمل رهگذری الکتریکی بالا (CTI)؛ مقاومت بهتر در برابر ردگذاری الکتریکی.
• لایه FR4 بدون مس: مورد استفاده برای عایق‌بندی و کاربردهای غیرهدایتی.

مزایای FR4 در برد مدار چاپی (PCB)

• اقتصادی: ایده‌آل برای نمونه‌سازی و تولید انواع کوچک و متوسط.
• سبک وزن و قوی: نسبت عالی استحکام به وزن.
• جذب آب پایین: قابل اعتماد در کاربردهای مرطوب یا مستعد رطوبت.
• عایق خوب: حفظ جداسازی مدار و صحت سیگنال.

معایب و محدودیت‌های برد FR4

• مناسب برای کاربردهای با دمای بالا نیست: دمای گذار شیشه‌ای حداکثر ~180°C؛ برای کاربردهای هوافضا یا الکترونیک قدرت سخت مناسب نیست.
• لوله‌کشی بدون سرب: دشواری در تحمل دماهای بالاتر از 250°C بدون تخریب حرارتی.
• محدودیت‌های فرکانس بالا: ثابت دی‌الکتریک متغیر و تلفات بالاتر می‌تواند بر مدارهای سرعت بالا، RF و مایکروویو تأثیر بگذارد.
• مسائل تولید: در صورت پردازش نادرست، احتمال قرار گرفتن بافت در معرض دید، ترک‌های ریز، لکه‌های سفید و جدایش لایه‌ها وجود دارد.

FR4 در مقابل سایر رده‌بندی‌های FR

کاربردهای FR4 در مدار چاپی

• لوازم الکترونیکی مصرفی: تلفن‌های همراه هوشمند، قابل پوشیدن، لوازم خانگی.
• کنترل‌های صنعتی: اتوماسیون، ابزار دقیق.
• چراغ های LED: بردهای مدار چاپی برای آرایه‌های ال‌ئی‌دی.
• مدارهای خودرویی: ماژول‌های استاندارد.
• مدل‌سازی اولیه: به دلیل مقرون به صرفه بودن و پردازش آسان.

IMS در مقابل FR4: بردهای مدار چاپی IMS (بستر فلزی عایق‌بندی‌شده) از پایه فلزی برای پراکندگی حرارت استفاده می‌کنند، در حالی که FR4 برای یکپارچگی سیگنال و کاربردهای عمومی مناسب‌تر است.

نحوه استفاده از FR4 در ساخت برد مدار چاپی

• ستون فقرات عایق‌بندی‌شده: ماده مرکزی بین لایه‌های مس در برد مدار چاپی تک‌لایه/دو لایه/چند لایه.
• لایه‌بندی مس: لایه‌های فویل مس به FR4 متصل می‌شوند و سپس خراشیده می‌شوند تا الگوهای مداری ایجاد شوند.

چگونه ضخامت مناسب FR4 را انتخاب کنیم

• FR4 نازک (0.2 تا 0.6 میلی‌متر): مدارهای کوچک، سبک و انعطاف‌پذیر.
• FR4 استاندارد (1.0 تا 1.6 میلی‌متر): اغلب برد مدارهای مصرفی و صنعتی.
• FR4 ضخیم (تا 3.2 میلی‌متر): مدارهای قدرت، اتصالات، تنش مکانیکی بالا.

عواملی که باید در نظر گرفته شود:

• محدودیت‌های اندازه و وزن
• ارتفاع قطعه
• ممانعت الکتریکی
• انعطاف‌پذیری یا صلبیت مورد نیاز

نکاتی برای انتخاب مواد FR4 مناسب

• مقدار TG را با دمای اوج لحیم‌کاری تطبیق دهید.
• برای طراحی‌های حساس به سیگنال، اطمینان از ثابت بودن Dk را فراهم کنید.
• برای کاربردهای با فرکانس یا ولتاژ بالا، انواع با CTI بالا یا TG بالا را در نظر بگیرید.
• برای استفاده در محیط‌های مرطوب یا فضای باز، انواع با جذب رطوبت پایین را انتخاب کنید.

عوامل مؤثر بر هزینه برد FR4

• هزینه هر اینچ مربع: بسته به ضخامت، وزن مس، نوع TG، مقدار سفارش و نوع پوشش متغیر است.
• سفارش عمده: هزینه کمتر به ازای هر واحد برای مقادیر بیشتر.

استانداردهای صنعتی: IPC-A-600 و FR4

IPC-A-600 معیارهای کیفیت را برای مواد برد مدار چاپی FR4 تعیین می‌کند که شامل موارد زیر است:

• قابل قبول بودن نمایان شدن بافت پارچه
• شرایط بافت مجاز و زیرسطحی
• آستانه‌های مِیزلینگ، ترک‌های سطحی و جدایش لایه برای قابلیت اطمینان برد مدار چاپی

چرا باید درباره ماده برد مدار چاپی FR4 بیاموزیم؟

چه طراح الکترونیک باشید و چه تصمیم‌گیرنده در خرید قطعات الکترونیکی، درک ویژگی‌های ماده FR4 کمک می‌کند در:

• انتخاب بهترین ماده زیرلایه برد مدار چاپی برای بودجه و نیازمندی‌های فنی شما.
• تضمین بلندمدت قابلیت اطمینان برد مدار چاپی و ایمنی محصول.
• اجتناب از مشکلات با کاهش سیگنال , تطبیق امپدانس ، یا خرابی مکانیکی در محصولات نهایی.
• هماهنگی با استانداردهای صنعتی مانند UL، IPC و RoHS

آناتومی ماده FR4

بیایید آنچه را که این ماده را تشکیل می‌دهد، تجزیه و تحلیل کنیم متریال fr4 به‌قدری مؤثر و انعطاف‌پذیر:

• فایبرگلاس (لایه پارچه بافته‌شده): این هسته خواص چشمگیری از خود نشان می‌دهد قوهٔ مکانیکی , پایداری ابعادی و سفتی، به‌گونه‌ای که اطمینان حاکم است که PCB شکل خود را حتی در شرایط تنش، لرزش یا چرخه‌های حرارتی حفظ می‌کند.
• راتنج اپوکسی (چسب/ماتریس): راتنج اپوکسی همان «چسب» است که فایبرگلاس را در بر می‌گیرد و منجر به خواص عالی عایق الکتریکی و مقاومت قابل توجه در برابر مواد شیمیایی می‌شود. دمای دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) حداکثر دمای عملیاتی را تعیین می‌کند.

با هم، این اجزا یک زیرلایه با خواص الکتریکی عالی، جذب رطوبت کم و مقاومت قوی در برابر شعله .

ساختار ماده FR4 در برد مدار چاپی

*توجه: فولی مس و مسحوق مهر و موم بخشی از کل هستند Pcb manufacturing process ، نه خود ورق FR4، اما این موارد به‌طور نزدیکی با خواص FR4 تعامل دارند.

ویژگی‌های کلیدی FR4

• ضد حریق: دارای استاندارد UL94-V0، پس از حذف شعله در عرض 10 ثانیه خاموش می‌شود.
• مقاومت دی الکتریکی بالا : حفظ عایق بودن الکتریکی بین ردیف‌های مسی.
• قوهٔ مکانیکی : پایداری ابعادی عالی و مقاومت بالا در برابر تاب‌خوردگی.
• مقاومت در برابر رطوبت: جذب آب پایین (<0.2%)؛ عملکرد به‌طور قابل توجهی توسط رطوبت کاهش نمی‌یابد.
• دمای انتقال شیشه‌ای (Tg): از 130°C (استاندارد) تا 200°C (FR4 با دمای انتقال شیشه‌ای بالا).
• کاربردی و اقتصادی: یکی از بهترین نسبت‌های قیمت به عملکرد را در صنعت ارائه می‌دهد.

جدول اطلاعات سریع: FR4 به چشم انداز

FR4 در تولید برد مدار چاپی

زیرلایه PCB فر4 نه تنها برای الکترونیک مصرف‌کننده، بلکه برای صنعتی، خودرو، نظامی و فضایی PCBها . خواص متوازن مواد این زیرلایه امکان ادغام اجزای عبوری، اتصالات لبه‌ای، کاربردهای ماسک لحیم، معماری‌های چندلایه PCB , و غیره.

نقل قول: «بدون نوآوری در شیشه مقاوم به شعله تقویت‌شده با اپوکسی مانند FR4، قابلیت اطمینان و دسترسی‌پذیری الکترونیک مدرن به سادگی ممکن نبود.» — دانشمند ارشد مواد، تولیدکننده جهانی PCB

چگونه ضخامت FR4 را برای طراحی PCB تعیین کنیم

اهمیت ضخامت FR4

ضخامت PCB فر4 به‌طور مستقیم بر چندین جنبه از قابلیت اطمینان و عملکرد برد مدار چاپی (PCB) تأثیر می‌گذارد:

• سلامت سیگنال : ضخامت بیشتر یا کمتر سوبسترا، امپدانس کنترل‌شده و عرض خطوط انتقال را تحت تأثیر قرار می‌دهد که به‌ویژه در طراحی برد مدارهای با فرکانس بالا و RF مهم است.
• قوهٔ مکانیکی : FR4 با ضخامت بیشتر پایداری مکانیکی بهتری برای نگهداری از قطعات سنگین، اتصالات و مقاومت در برابر خمش یا ارتعاش فراهم می‌کند.
• کارایی فضایی : دستگاه‌هایی مانند گوشی‌های هوشمند، لوازم پوشیدنی و ابزارهای پزشکی ممکن است به برد مدارهای نازک‌تر برای فرم‌فکتور فشرده نیاز داشته باشند.
• مدیریت حرارتی : برد ضخیم‌تر می‌تواند گرما را در الکترونیک قدرت به‌صورت کارآمدتری پراکنده کند، اما اگر به‌درستی طراحی نشود ممکن است گرما را نیز در خود حبس کند.
• هزینه : برد ضخیم‌تر معمولاً به مواد بیشتری نیاز دارد و ممکن است هزینه تولید و پردازش آن از طریق مراحل سوراخ‌کاری، روکش‌دهی و لایه‌گذاری بیشتر باشد.

گزینه‌های رایج ضخامت FR4

اگرچه امکان ضخامت‌های سفارشی وجود دارد، اما اندازه‌های استاندارد به ساده‌سازی فرآیند Pcb manufacturing process و اطمینان از سازگاری با رویه‌های رایج مونتاژ و طراحی کمک می‌کنند. در اینجا یک مرجع سریع آورده شده است:

حقیقت جالب: متداول‌ترین ضخامت استاندارد صنعتی برای مدار چاپی FR4 این است 1.6 میلی‌متر (0.063 اینچ) —ترکیبی عالی از دوام، امکان‌ساخت و سازگاری برای اغلب قطعات و پروفایل‌های اتصال لبه

چگونه ضخامت مناسب FR4 را برای مدار چاپی خود انتخاب کنید

ملاحظات کلیدی برای انتخاب ضخامت FR4

در زیر مهم‌ترین عواملی آورده شده‌اند که باید هنگام تصمیم‌گیری درباره ضخامت ماده FR4 برای طراحی برد مدار چاپی خود ارزیابی کنید:

1. کاربرد و محیط نهایی استفاده

• وسایل پوشیدنی و دستگاه‌های چندکاره اینترنت اشیا اغلب نیازمند برد مدار چاپی بسیار نازک (0.2 تا 0.8 میلی‌متر) هستند تا سبک‌وزن و فشرده باشند.
• بردهای مدار چاپی خودرو، کنترل صنعتی و نظامی/هوافضا از FR4 ضخیم‌تر (1.6 میلی‌متر و بالاتر) بهره می‌برند تا استحکام بیشتری داشته باشند و قوهٔ مکانیکی در برابر لرزش، ضربه و آسیب‌های محیطی مقاومت کنند.
• بردهای مداری با فرکانس بالا و RF ممکن است نیازمند پیکربندیهای دقیق لایهها و ضخامت های سفارشی برای امپدانس کنترل شده باشند.

2. عملکرد الکتریکی: صحت سیگنال و امپدانس

• فاصله بین لایه‌ها (تعیین شده توسط ضخامت هسته و پرپرگ) به طور مستقیم بر انتشار سیگنال تأثیر می‌گذارد، تطبیق امپدانس ، و سلامت سیگنال .
• طراحی با سرعت بالا از حل‌کننده‌های میدانی برای محاسبه عرض و فاصله دقیق ردیف‌ها استفاده می‌کند — فرآیندی که در آن تغییر ضخامت FR4، حتی به مقدار کمی، می‌تواند اهداف امپدانس را تغییر دهد.

3. مشخصات قطعات و نصب آنها

• قطعات بلند، سوراخ‌دار یا اتصالات لبه‌ای نیازمند یک بستر ضخیم‌تر برای اتصال مکانیکی محکم هستند.
• بردهای SMT (فناوری نصب سطحی)، به ویژه آن‌هایی که دارای قطعات با گام ریز هستند، اغلب می‌توانند از برد‌های نازک‌تری برای مونتاژ دقیق استفاده کنند.

4. تنشهای حرارتی و مکانیکی

• بردهای مداری توان و برد‌هایی که در معرض چرخه‌های سریع دما هستند ممکن است به ضخامت بیشتری برای عملکرد و پراکندگی بهتر نیاز داشته باشند ضریب حرارتی عملکرد و پراکندگی.
• انعطاف‌پذیری برای اتصالات خاص و قطعات پویا (مانند برد تخته‌های انعطاف‌پذیر-صلب) مورد نیاز است، در حالی که صلبیت برای کاربردهای تحمل بار یا موبایل مهم است.

5. محدودیت‌های تولید و مونتاژ

• قابلیت‌ها و تجهیزات تولیدکننده ممکن است گزینه‌های شما را محدود کند؛ تمام کارخانه‌های برد تخته از ضخامت‌های سفارشی یا زیرلایه‌های بسیار نازک پشتیبانی نمی‌کنند.

جدول مرجع سریع: ضخامت‌های FR4 و موارد استفاده

مزایای استفاده از FR4 به عنوان ماده برد مدار چاپی

انتخاب زیرلایه مناسب پایه‌ای اساسی برای هر طراحی موفق از برد مدار چاپی (PCB) است، و متریال fr4 به دلایل برجسته‌ای به عنوان استاندارد صنعتی شناخته می‌شود. چه در حال ساخت یک دستگاه مصرفی ساده، یک سیستم کنترل چندلایه برای ماشین‌آلات صنعتی، یا نوآوری بعدی در حوزه اینترنت اشیا (IoT) باشید، FR4 مجموعه‌ای از ویژگی‌ها را ارائه می‌دهد که به‌طور قابل اعتمادی با الزامات سختگیرانه الکتریکی، حرارتی و مکانیکی همخوانی دارد—و این در حالی است که قیمت آن برای تولیدکنندگان بزرگ و کارگاه‌های کوچک نمونه‌سازی نیز در دسترس است.

نگاه اجمالی: مزایای کلیدی ماده برد FR4

کاربردهای مدار چاپی FR4

جدول کاربردهای مدار چاپی FR4

چرا مواد روگرز بهتر از ماده FR4 است؟

هنگام طراحی برد مدار چاپی با عملکرد بالا، انتخاب ماده زیرلایه بسیار حیاتی است. روجرز و FR4 دو ماده متداول در برد مدار چاپی هستند — اما چه زمانی باید از روگرز استفاده کرد و چرا در کاربردهای پیشرفته، روگرز اغلب بهتر از FR4 در نظر گرفته می‌شود؟

تفاوت‌های کلیدی بین مواد روگرز و FR4 در برد مدار چاپی

دلایل برتری راجرز نسبت به FR4

1. عملکرد عالی در فرکانس‌های بالا بردهای مدار چاپی راجرز دارای ثابت دی الکتریک بسیار پایین‌تر و پایدارتری هستند که این امر تضمین می‌کند تا افت سیگنال و اعوجاج به حداقل برسد - حتی در فرکانس‌های بالا. این موضوع برای کاربردهایی مانند فرکانس رادیویی (RF)، مایکروویو، 5G و هوافضا حیاتی است.

2. افت سیگنال کمتر (ضریب تلف کم) به لطف زاویه تلف پایین، ورق‌های راجرز انتقال سیگنالی تمیزتر و سریع‌تر را فراهم می‌کنند. در مقابل، FR4 تمایل به جذب سیگنال بیشتری دارد که منجر به اتلاف بیشتر می‌شود - به‌ویژه با افزایش فرکانس.

3. مدیریت حرارتی استثنایی مواد راجرز دماهای بالاتری را تحمل می‌کنند و پایداری حرارتی بهتری نسبت به FR4 ارائه می‌دهند و بنابراین برای محیط‌های پرمخاطره (مانند رادار خودرو، ارتباطات ماهواره‌ای) قابل اعتماد هستند.

4. خواص الکتریکی یکنواخت راجرز رفتار سیگنال یکنواختی در تمامی شرایط فراهم می‌کند که این ویژگی در طراحی‌های دقیق بسیار حیاتی است. خواص الکتریکی FR4 ممکن است با تغییر دما و فرکانس نوسان داشته باشد.

چه زمانی باید از راجرز به جای FR4 استفاده کرد؟

• مدارهای چاپی RF، مایکروویو و میلی‌متری
• مدارهای دیجیتال با سرعت بالا (مراکز داده، مخابرات، هوافضا)
• رادارها و سنسورهای پیشرفته خودرو
• هر کاربردی که در آن یکپارچگی سیگنال و تلفات کم سیگنال اولویت داشته باشد

چه زمانی FR4 همچنان گزینه خوبی است؟

• الکترونیک مصرفی و برد‌های عمومی با نیازمندی‌های متوسط سرعت
• کاربردهای حساس به هزینه که استانداردهای سخت‌گیرانه فرکانس بالا ندارند