Mikä on FR4-materiaali?

Mikä on FR4-materiaali?

Valitsema oikea PCB-materiaali on ratkaisevan tärkeää sähköisen projektisi suorituskyvyn, luotettavuuden ja kustannusten kannalta. FR4 PCB-materiaali on yleisimmin käytetty substraatti painetun piirilevyn teollisuudessa. Tässä kattavassa oppaassa tarkastelemme, miksi FR4 on standardi, sen keskeisiä ominaisuuksia, etuja ja rajoituksia, vinkkejä oikean FR4-materiaalin valitsemiseen sekä vertaamme sitä muihin PCB-materiaalivaihtoehtoihin.

Mikä on FR4?

Fr4 tarkoittaa Flame Retardant 4 , lasikuituvahvistettu epoksidilaminaatti. Tämä komposiittirakenne antaa FR4:lle erinomaisen mekaanisen lujuuden, hyvän sähköeristyskyvyn ja olennaisen tärkeän lievitsintykyisyyden, mikä tekee siitä oletusvalinnan PCB-valmistuksessa.

FR4 määriteltynä: Enemmän kuin vain nimi

Fr4 tarkoittaa " Flame Retardant 4 ", ja se viittaa tiettyyn luokkaan lasiyhdisteellä vahvistettu epoksi-laminaatti materiaali, jota käytetään piirilevyjen perustana. "FR" viittaa sen liekinkestäviin ominaisuuksiin, mikä on tärkeää sähköisten turvallisuusvaatimusten noudattamisessa, kun taas "4" on tunniste eri liekinkestävien materiaalien joukossa (kuten FR1, FR2, FR3 ja FR5).

FR4 on suunniteltu viljetyistä lasikuitotelineistä tehty kanka sidottuna korkeaan lasisiirtymälämpötilaan pohjautuvaan epoksi-hartsaan . Tämä komposiittirakenne muodostaa mekaanisesti kestävän, sähköisesti eristävän ja liekinkestävän materiaalin – mikä tekee siitä ideaalisen rungon laajalle Piirilevysovellusten käytölle, yksikerroksisista prototyypeistä monimutkaisiin monikerroksisiin korkean nopeuden suunnitteluun.

Tärkeimmät seikat:

• FR: Palonsamuuttava, tärkeä turvallisuuden kannalta
• 4: Osoittaa lasikuituvahvistetun epoksiyhdisteen koostumuksen

FR4-materiaalin ominaisuudet

• Palonsamuuttavuus: Itsesammuttava, estää liekkien leviämisen.
• Sähköinen eristys: Korkea sähköinen resistanssi, eristää PCB-johdot.
• Mekaaninen vahvuus: Kestävä, kevyt ja iskunkestävä.
• Dielektrinen vakio (Dk): 4,2–4,8 (vaihtelee valmistajan ja paksuuden mukaan); vaikuttaa impedanssiin ja signaalin eheyteen.
• Häviökerroin (Df): Tyypillisesti 0,02; vaikuttaa signaalihäviöön, erityisesti radio taajuuksilla.
• Kosteenabsorptio: Alle 0,2 %; säilyttää ominaisuutensa kosteissa olosuhteissa.
• Lasisiirtymälämpötila (Tg): Tyypillisesti 135–180 °C.

Ominaisuuksien vertailu valmistajittain

FR4-PKV-materiaalin tyypit

• Vakiomuotoinen FR4: Yleiskäyttöön (TG 135–150 °C).
• Korkea TG FR4: Kestää korkeampia lämpötiloja (jopa 180 °C); ideaali lyijyttömään juottamiseen ja autoteollisuuteen.
• Korkea CTI FR4: Korkea vertailukärjenmuodostusindeksi; parantunut kestävyys sähköiselle karkailemiselle.
• FR4 ilman kuparikalvolla Käytetään eristykseen, ei-johtaviin sovelluksiin.

FR4:n edut PCB-piireissä

• Kustannustehokas: Ideaali prototyyppeihin, pieniin ja keskisuuriin tuotantosarjoihin.
• Kevyt & Vahva: Erinomainen lujuus-painosuhde.
• Matala veden absorption: Luotettava kosteissa tai kosteusalttiissa käyttöolosuhteissa.
• Hyvä eriste: Säilyttää piirin eristyneisyyden ja signaalin eheyden.

FR4-levyjen haitat ja rajoitukset

• Ei sovellu korkean lämmön sovelluksiin: Maksimi TG on noin 180 °C; ei sovellu avaruusteknologiaan tai vaativiin tehoelektroniikkaan.
• Lyijyttömämpi juottaminen: Vaikeuksia kestäää yli 250 °C ilman lämpödegradaatiota.
• Korkeataajuusrajat: Muuttuva Dk ja korkeampi Df voivat vaikuttaa korkean nopeuden, RF- ja mikroaaltopiireihin.
• Valmistusongelmat: Mahdollisuus kudoksen pinnalle tulemiseen, kuivuneisiin halkeamiin, täplien muodostumiseen ja kerrosten irtoamiseen, jos materiaalia ei käsitellä oikein.

FR4 verrattuna muihin FR-luokituksiin

FR4-piirilevyjen käyttökohteet

• Kulutuselektroniikka: Älypuhelimet, käytettävät laitteet, kotitalouslaitteet.
• Teollisuuden ohjaukset: Automaatio, instrumentointi.
• LED-valaistus: LED-rivejä varten tarkoitetut piirilevyt.
• Autoteollisuuden piirit: Standardimoduulit.
• Prototyypin valmistus: Edullisuuden ja helpon käsittelyn vuoksi.

IMS vs FR4: IMS (eristetyllä metallipohjalla varustetut) piirilevyt käyttävät metallipohjaa lämmön hajottamiseen, kun taas FR4 on parhaimmillaan signaalin eheyden ja yleiskäytön kannalta.

Miten FR4:ää käytetään PCB-valmistuksessa

• Eristävä runko: Ydinmateriaali kuparikerrosten välissä yhden/kahden/monikerroksisissa PCB-piireissä.
• Kuparin laminoiminen: Kuparilehtien kerrokset liimitään FR4:ään ja syövytetään muodostamaan piirikuvioita.

Miten oikea FR4-paksuus valitaan

• Ohut FR4 (0,2–0,6 mm): Pienet, kevyet, joustavat piirisarjat.
• Vakio FR4 (1,0–1,6 mm): Useimmat kuluttaja- ja teollisuuspiirit
• Paksu FR4 (jopa 3,2 mm): Tehopiirit, liittimet, suuri mekaaninen rasitus.

Tarkasteltavat tekijät:

• Koon ja painon rajoitteet
• Komponentin korkeus
• Sähköinen impeedenssi
• Vaadittu joustavuus tai jäykkyys

Vinkkejä oikean FR4-materiaalin valitsemiseen

• Sovita TG-arvo huippupiirin lämpötilaan.
• Varmista johdonmukainen Dk-arvo signaaliherkkiä suunnitelmia varten.
• Korkeataajuuteen tai korkeaan jännitteeseen tarkoitetuissa sovelluksissa harkitse High CTI- tai High TG -tyyppejä.
• Kosteisiin tai ulkokäyttöön tarkoitetuissa sovelluksissa valitse matalan kosteuspitoisuuden vaihtoehdot.

FR4-piirilevyn kustannustekijät

• Kustannus neliötuumaa kohden: Vaihtelee paksuuden, kuparipainon, TG-tyypin, tilausmäärän ja pinnoitteen mukaan.
• Tukkuostot: Alhaisempi yksikkökustannus suuremmilla määrillä.

Teollisuuden standardit: IPC-A-600 ja FR4

IPC-A-600 määrittää laatuvaatimukset FR4-PKV-materiaaleille, kuten:

• Kudoksen näkyvyyden hyväksyttävyys
• Sallittu tekstiili ja alapinnan tilat
• Raidoituksen, kuivahalkeamien ja kerrosten irtoamisen kynnysarvot PKV:n luotettavuutta varten

Miksi opetella FR4-PKV-materiaalista?

Olitpa suunnitteluvastaava tai elektroniikan hankintavastaava, FR4-materiaalin ominaisuuksien ymmärtäminen auttaa: FR4-materiaalin ominaisuudet auttavat seuraavissa asioissa:

• Parhaan valitseminen PCB-alustamateriaali budjettisi ja teknisten vaatimustesi mukaisesti.
• Varmistetaan pitkäaikainen PCB:n luotettavuudelle ja tuoteturvallisuus.
• Välttämällä ongelmia signaalin menetys , impedanssin vastaaminen , tai mekaanisia vikoja valmiissa tuotteissa.
• Sovelletaan alan standardeihin, kuten UL, IPC ja RoHS, liittyvien säädösten noudattamisessa

FR4-materiaalin rakenne

Tarkastellaan tarkemmin, mikä tekee Fr4-materiaali stä tehokkaan ja monikäyttöisen:

• Lasikuitu (kudottu kangaskerros): Tämä ydin tarjoaa erinomaisen mekaaninen lujuus ulotteisen stabiiliuden ja jäykkyyden, varmistaen että Pcb-levy pitää muotonsa jopa rasituksen, värähtelyn tai lämpötilan vaihteluiden alaisena.
• Epoksihartsi (sitova aine/matriisi): Epoksihartsi toimii „liimana“, joka käärii lasikuidun ympärille, mikä johtaa erinomaiseen sähkön eristys ja vaikuttavaan kemialliseen kestävyyteen. Sen lasisiirtymälämpötila (Tg) määrittää maksimikäyttölämpötilan.

Yhdessä nämä komponentit muodostavat substraatin, jolla on erinomaiset sähköominaisuudet, alhainen kosteuden absorptio ja vahva liekkisammumiskyky .

FR4-levyn rakenteen

*Huomaa: Kuparifolio ja juotesuoja kuuluvat kokonaisuuteen Pcb-valmistusprosessi , eivät itse FR4-lehteen, mutta ne vaikuttavat läheisesti FR4:n ominaisuuksiin.

FR4:n keskeiset ominaisuudet

• Tulensammottava: Täyttää UL94-V0 -standardin, sammuu itsestään 10 sekunnissa liekin poistamisen jälkeen.
• Korkea dielektrinen vahvuus : Ylläpitää sähköistä eristystä kupariratojen välillä.
• Mekaaninen lujuus : Erinomainen muodonvakaus ja vääntymisen kestävyys.
• Vesovastus: Alhainen vesimäärän absorptio (<0,2 %); suorituskyky ei heikkene merkittävästi kosteuden vaikutuksesta.
• Lasisiirtymälämpötila (Tg): Vaihtelee 130 °C:sta (standardi) 200 °C:seen (High-TG FR4) asti.
• Kustannustehokas: Tarjoaa yhden parhaista hinta-laatusuhteista alalla.

Pikatietotaulukko: FR4 katsaus

FR4 piirilevyjen valmistuksessa

FR4 PCB-alusta on keskeinen tekijä paitsi kuluttajaelektroniikassa myös teollisuuden, autoteollisuuden, sotilas- ja avaruustekniikan PCB-sovelluksissa . Sen tasapainoiset materiaaliominaisuudet mahdollistavat läpiviasojen komponenttien, reunaliittimien, juotosuojakerrosten sekä monikerros-PCB-rakenteiden integroinnin , ja enemmän.

Lainaus: “Ilman palonsuojattua lasikuituvahvisteista epoksiharjaa, kuten FR4, nykyaikaisten elektronisten laitteiden luotettavuus ja saatavuus eivät yksinkertaisesti olisi mahdollisia.” — Seniori-materiaalitieteilijä, maailmanlaajuinen PCB-valmistaja

Miten määrittää FR4:n paksuus PCB-suunnittelussa

Miksi FR4-paksuus on tärkeä

FR4-PKV-paksuus vaikuttaa suoraan useisiin PKV:n luotettavuuteen ja toimintaan liittyviin tekijöihin:

• Signaalin eheys : Paksujen tai ohuiden substraattien vaikutus tarkasti määriteltyyn impedanssiin ja siirtolinjoihin on erityisen tärkeää korkeataajuuksisissa ja RF-piirilevyissä.
• Mekaaninen lujuus : Paksumpi FR4 tarjoaa parannetun mekaanisen vakauden raskaiden komponenttien ja liittimien tukemiseksi sekä taipumisen ja värähtelyn vastustamiseksi.
• Tilankäytön tehokkuus : Laitteet, kuten älypuhelimet, käytettävät laitteet ja lääketieteelliset laitteet, saattavat vaatia ohuempia piirilevyjä tiiviin muotoratkaisun vuoksi.
• Lämpöhuollon hallinta : Paksummat levyt voivat hajottaa lämpöä tehokkaammin tehoelektroniikassa, mutta voivat myös pidättää lämpöä, jos niitä ei ole suunniteltu oikein.
• Kustannus : Paksummat levyt vaativat yleensä enemmän materiaalia ja niiden valmistus voi olla kalliimpaa porauksen, pinnoituksen ja laminoinnin osalta.

Yleiset FR4-paksuusvaihtoehdot

Vaikka mukautetut paksuudet ovat mahdollisia, standardikoot helpottavat valmistusprosessia Pcb-valmistusprosessi ja varmista yhteensopivuus yleisten kokoamis- ja suunnittelukäytäntöjen kanssa. Tässä nopea viitetaulukko:

Hauska fakta: Yleisin teollisuuden standardipaksuus FR4-kortille on 1,6 mm (0,063 tuumaa) —täydellinen yhdistelmä kestävyyttä, valmistettavuutta ja yhteensopivuutta useimpiin komponentti- ja reuna-liittimen profiileihin.

Miten valita oikea FR4-paksuus piirikortillesi

Tärkeimmät huomioon otettavat seikat FR4-paksuuden valinnassa

Seuraavat ovat tärkeimmät tekijät, jotka on arvioitava päätettäessä FR4-materiaalin paksuudesta piirikorttisuunnittelussasi:

1. Käyttötarkoitus ja käyttöympäristö

• Käytettävät laitteet ja monitoimiset IoT-laitteet vaativat usein erittäin ohuita piirikortteja (0,2–0,8 mm) keveyden ja pienikokoisuuden vuoksi.
• Autoteollisuuden, teollisuuden ohjaukseen sekä sotilas-/ilmailualan piirikortit hyötyä paksusta FR4:stä (1,6 mm ja yli) lisätyn mekaaninen lujuus ja vastustuskyvyn vuoksi värähtelyä, iskuja ja ympäristövaurioita vastaan.
• Korkeataajuus- ja RF-piirilevyt voivat vaatia tarkkoja kerrosrakenteiden määrityksiä ja räätälöityjä paksuuksia hallitun impedanssin saavuttamiseksi.

2. Sähköinen suorituskyky: Signaalin eheys ja impedanssi

• Kerrosten välinen etäisyys (määritetty ytimekankaan ja liimapahvin paksuudella) vaikuttaa suoraan signaalin etenemiseen, impedanssin vastaaminen , ja signaalin eheys .
• Nopeasuunnittelu käyttää kenttäratkaisijoita laskemaan tarkan johdinleveyden ja -välimatkan – prosessi, jossa FR4-paksuuden muuttaminen, vaikka hieman, voi siirtää impedanssitavoitteita.

3. Komponentin profiili ja asennus

• Korkeat läpivienti- tai reunaliittimelliset komponentit edellyttävät paksua substraattia luotettavaa mekaanista ankkurointia varten.
• SMT (pinnan kiinnitystekniikka) -levyt, erityisesti ne, joissa on tiheäjakoisia komponentteja, voivat usein käyttää ohuempia piirilevyjä tarkkaa kokoonpanoa varten.

4. Lämpö- ja mekaaniset rasitukset

• Tehopiirit ja nopealla lämpötilan vaihtelulla altistetut levyt saattavat vaatia suurempaa paksuutta paremman lämpölaajenemiskertoimen suorituskyvyn ja hajotuksen vuoksi.
• Joustavuus tarvitaan tietyissä yhteyksissä ja dynaamisissa osissa (kuten jousto-jäykissä piireissä), kun taas jäykkyyttä tarvitaan kantavissa tai liikkuville sovelluksille.

5. Valmistus- ja kokoamisrajoitteet

• Valmistajan kyvyt ja työkalut voivat rajoittaa valintojasi; kaikki piirilevytehtaat eivät tue mukautettuja paksuuksia tai erittäin ohuita substraatteja.

Pikaopas-taulukko: FR4-paksuudet ja käyttötarkoitukset

FR4:n käytön edut piirilevyn materiaalina

Oikean substraatin valinta on perusta jokaiselle onnistuneelle painetun piirilevyn (PCB) suunnittelulle, ja Fr4-materiaali erottuu poikkeuksellisista syistä teollisuuden standardina. Olipa kyseessä perus kuluttajalaitteen rakentaminen, monikerroksinen teollisen koneen ohjausjärjestelmä tai seuraava IoT-alueen innovaatio, FR4 tarjoaa ominaisuuksia, jotka luotettavasti vastaavat tiukkoja sähköisiä, lämpöisiä ja mekaanisia vaatimuksia – hintatasolla, joka on saavutettavissa sekä suurille valmistajille että pienille prototyyppikaupoille.

Yhteenveto: FR4-piirilevyn materiaalin keskeiset edut

FR4-piirilevyn sovellukset

FR4-piirilevyn käyttökohteiden taulukko

Miksi Rogers on parempi kuin FR4-materiaali?

Suunniteltaessa suorituskykyisiä painettuja piirilevyjä, substraattimateriaalin valinta on ratkaisevan tärkeää. Rogers ja Fr4 ovat kaksi yleisintä piirilevymateriaalia – mutta milloin kannattaa valita Rogers ja miksi Rogersia usein pidetään parempana kuin FR4:ää, erityisesti kehittyneisiin sovelluksiin?

Tärkeimmät erot Rogers- ja FR4-piirilevymateriaalien välillä

Parhaat syyt, miksi Rogers on parempi kuin FR4

1. Erinomainen suorituskyky korkeilla taajuuksilla Rogersin piirilevyillä on paljon alhaisempi ja stabiilimpi dielektrisyysvakio, mikä takaa vähimmäisvaikutuksen signaalin häviöihin ja vääristymiin – myös korkeilla taajuuksilla. Tämä on elintärkeää sovelluksissa kuten RF, mikroaaltotekniikka, 5G ja avaruustekniikka.

2. Alhaisempi signaalihäviö (alhainen häviökerroin) Alhaisen häviötekijän ansiosta Rogersin laminaatit mahdollistavat puhdasemmän ja nopeamman signaalin siirtymisen. FR4 puolestaan absorboi enemmän signaalia, mikä johtaa suurempaan häviöön – erityisesti taajuuden noustessa.

3. Poikkeuksellinen lämmönhallinta Rogersin materiaalit kestävät korkeampia lämpötiloja ja tarjoavat paremman lämpötilavakauten kuin FR4, mikä tekee niistä luotettavia vaativissa olosuhteissa (esim. auton kaarteittain tutka, satelliittiviestintä).

4. Jatkuvat sähköiset ominaisuudet Rogers tarjoaa yhtenäisen signaalikäyttäytymisen koko piirilevyllä, mikä on kriittistä tarkkoihin suunnitteluihin. FR4:n sähköiset ominaisuudet voivat vaihdella lämpötilan ja taajuuden mukaan.

Milloin tulisi käyttää Rogersia FR4:n sijaan?

• RF-, mikroaalto- ja millimetriaaltopiirit
• Nopeanopeudet digitaaliset piirit (tietokeskukset, teleliikenne, avaruusteknologia)
• Edistyneet autonradarit ja -anturit
• Kaikki sovellukset, joissa signaalin eheys ja alhainen signaalihäviö ovat tärkeitä

Milloin FR4 on edelleen hyvä valinta?

• Kuluttajaelektroniikka ja yleiskäyttöiset piirit, joilla on kohtalaiset nopeusvaatimukset
• Hinta-arvokkaat sovellukset, joissa ei ole tiukkoja korkeataajuusvaatimuksia