Что такое материал FR4?

Что такое материал FR4?

Выбор правильный материал для печатной платы имеет решающее значение для производительности, надежности и стоимости вашего электронного проекта. Материал FR4 является наиболее широко используемым материалом в индустрии печатных плат. В этом подробном руководстве мы рассмотрим, почему FR4 является стандартом, его основные свойства, преимущества и ограничения, советы по выбору подходящего материала FR4, а также сравнение с другими вариантами материалов для печатных плат.

Что такое FR4?

FR4 означает Огнестойкий 4 , ламинат из эпоксидной смолы, армированный стекловолокном. Эта композитная структура придаёт FR4 исключительную механическую прочность, хорошую электрическую изоляцию и важную огнестойкость, что делает его стандартным выбором для изготовления печатных плат.

Определение FR4: Больше, чем просто название

FR4 расшифровывается как " Огнестойкий 4 " и обозначает определённый класс стеклонаполненного эпоксидного ламината , который используется в качестве основы для печатных плат. «FR» указывает на его огнестойкие свойства, важные для соответствия нормам безопасности электроники, а «4» — это обозначение среди различных огнестойких материалов (таких как FR1, FR2, FR3 и FR5).

FR4 изготавливается из ткань из стекловолокна , связанных с эпоксидная смола с высокой температурой стеклования . Эта композитная конструкция создает механически прочный, электрически изолирующий и огнестойкий материал — что делает его идеальным в качестве основы для широкого спектра Применений печатных плат , от односторонних прототипов до сложных многослойных высокоскоростных конструкций.

Основные моменты:

• FR: Огнестойкий, что критически важно для безопасности
• 4: Указывает на состав на основе эпоксидной смолы, армированной стекловолокном

Свойства материала FR4

• Огнестойкость: Самозатухающий, предотвращает распространение огня.
• Электрическая изоляция: Высокое электрическое сопротивление, изолирует токопроводящие дорожки печатной платы.
• Механическая прочность: Прочный, легкий и устойчивый к ударам.
• Диэлектрическая проницаемость (Dk): 4,2–4,8 (варьируется в зависимости от производителя и толщины); влияет на импеданс и целостность сигнала.
• Тангенс угла диэлектрических потерь (Df): Обычно 0,02; влияет на потери сигнала, особенно на радиочастотах.
• Влагопоглощение: Менее 0,2 %; сохраняет свойства во влажных условиях.
• Температура стеклования (Tg): Обычно 135–180 °C.

Сравнение свойств по производителям

Типы материала FR4 для печатных плат

• Стандартный FR4: Для общих применений (TG 135–150°C).
• FR4 с высоким TG: Выдерживает более высокие температуры (до 180°C); идеально подходит для бессвинцовой пайки и автомобильной промышленности.
• FR4 с высоким CTI: Высокий сравнительный индекс трекингостойкости; повышенная устойчивость к электрическому пробою.
• FR4 без медного ламината: Используется для изоляции, непроводящих применений.

Преимущества FR4 в печатных платах

• Доступно: Идеально подходит для прототипирования, мелкосерийного и среднесерийного производства.
• Легкий и прочный: Отличное соотношение прочности к весу.
• Низкое водопоглощение: Надежен в условиях повышенной влажности или при использовании в средах, склонных к образованию влаги.
• Хороший изолятор: Обеспечивает изоляцию цепей и целостность сигнала.

Недостатки и ограничения печатных плат FR4

• Не подходит для применения при высоких температурах: Максимальная температура стеклования (Tg) составляет ~180 °C; не подходит для аэрокосмической отрасли или тяжелых условий в силовой электронике.
• Бессвинцовая пайка: Сложность выдерживания температур выше 250 °C без термического разрушения.
• Ограничения на высоких частотах: Переменная величина Dk и более высокое значение Df могут негативно влиять на высокоскоростные, ВЧ и микроволновые схемы.
• Проблемы производства: Возможность появления оголения ткани, сетчатых трещин, крапин и расслоения при неправильной обработке.

FR4 против других классов FR

Применение FR4 печатных плат

• Потребительская электроника: Смартфоны, носимые устройства, бытовая техника.
• Промышленная автоматика: Автоматизация, приборостроение.
• LED освещение: Печатные платы для светодиодных массивов.
• Автомобильные схемы: Стандартные модули.
• Прототипирование: Из-за доступности и простоты обработки.

IMS против FR4: Печатные платы IMS (с изолированной металлической основой) используют металлическую подложку для отвода тепла, тогда как FR4 лучше подходит для обеспечения целостности сигнала и общего применения.

Как используется FR4 в производстве печатных плат

• Изолирующий каркас: Основной материал между медными слоями в однослойных/двухслойных/многослойных печатных платах.
• Медное ламинирование: Слои медной фольги соединяются с FR4 и протравливаются для формирования схем.

Как выбрать правильную толщину FR4

• Тонкий FR4 (0,2–0,6 мм): Маленькие, легкие, гибкие печатные платы.
• Стандартный FR4 (1,0–1,6 мм): Большинство потребительских и промышленных печатных плат.
• Толстый FR4 (до 3,2 мм): Силовые цепи, разъёмы, высокие механические нагрузки.

Факторы для рассмотрения:

• Ограничения по размеру и весу
• Высота компонента
• Электрическое сопротивление
• Необходимая гибкость или жесткость

Советы по выбору подходящего материала FR4

• Сопоставьте значение TG с пиковой температурой пайки.
• Обеспечьте стабильное значение Dk для конструкций, чувствительных к сигналам.
• Для высокой частоты или напряжения рассмотрите типы с высоким CTI или высоким TG.
• Для использования во влажных условиях или на открытом воздухе выбирайте варианты с низким водопоглощением.

Факторы стоимости FR4 печатных плат

• Стоимость за квадратный дюйм: Зависит от толщины, веса меди, типа TG, количества заказа и покрытия.
• Оптовый заказ: Более низкая стоимость на единицу при большем количестве.

Промышленные стандарты: IPC-A-600 и FR4

IPC-A-600 устанавливает стандарты качества для материалов FR4 печатных плат, охватывающие:

• Допустимость выхода ткани на поверхность
• Разрешённая текстура и подповерхностные условия
• Пороговые значения меловидных дефектов, сетки микротрещин и расслоения для надёжности печатных плат

Зачем изучать материал FR4?

Независимо от того, являетесь ли вы инженером-конструктором или лицом, принимающим решения в сфере закупок электроники, понимание Свойств материала FR4 помогает в:

• Выбор лучшего Материале основания печатной платы для вашего бюджета и технических требований.
• Обеспечение долгосрочной Надежности печатной платы и безопасность продукта.
• Предотвращение проблем с потеря сигнала , сопряжение импеданса , или механических повреждений в готовой продукции.
• Соблюдение отраслевых стандартов, таких как UL, IPC и RoHS

Структура материала FR4

Разберёмся, что делает Материал fr4 материал настолько эффективным и универсальным:

• Стеклоткань (слои тканого материала): Этот основной слой обеспечивает впечатляющие механическая прочность , размерная стабильность и жесткость, обеспечивающие сохранение формы даже при механических нагрузках, вибрации или термоциклировании. ПКБ сохраняет свою форму даже при воздействии напряжений, вибрации или термического циклирования.
• Эпоксидная смола (связующее/матрица): Эпоксидная смола является «клеем», который обволакивает стекловолокно, обеспечивая превосходную электрическая изоляция и впечатляющую химическую стойкость. Ее температуры стеклования (Tg) определяет максимальную рабочую температуру.

Вместе эти компоненты образуют основу с отличными электрическими свойствами, низким поглощением влаги и высокой огнестойкостью .

Структура материала FR4 для печатных плат

*Примечание: Медная фольга и паяльная маска являются частью всего изделия, а не самого листа FR4, но тесно взаимодействуют со свойствами FR4. Процесс производства ПЛС , а не самого листа FR4, но тесно взаимодействуют со свойствами FR4.

Основные характеристики FR4

• Огнестойкость: Соответствует стандарту UL94-V0, самозатухает в течение 10 секунд после удаления пламени.
• Высокая диэлектрическая прочность : Обеспечивает электрическую изоляцию между медными проводниками.
• Механическая прочность : Высокая размерная стабильность и устойчивость к деформации.
• Устойчивость к влаге: Низкое водопоглощение (<0,2%); эксплуатационные характеристики не ухудшаются существенно при повышенной влажности.
• Температура стеклования (Tg): Варьируется от 130 °C (стандартная) до 200 °C (FR4 с высокой Tg).
• Экономически эффективная: Обеспечивает одно из лучших соотношений цены и качества в отрасли.

Краткая таблица: FR4 в общих чертах

FR4 в производстве печатных плат

Субстрат FR4 для печатных плат играет ключевую роль не только в потребительской электронике, но и в промышленной, автомобильной, военной и аэрокосмической промышленности . Его сбалансированные материальные свойства позволяют осуществлять монтаж компонентов с выводами, краевых соединителей, применение паяльной маски, многослойных архитектур печатных плат , и многое другое.

Цитата: «Без инноваций в области огнестойкого стеклонаполненного эпоксидного материала, такого как FR4, надёжность и доступность современной электроники просто невозможны.» — Ведущий учёный-материаловед, мировой производитель печатных плат

Как определить толщину FR4 для проектирования печатных плат

Почему важна толщина FR4

Толщина печатной платы FR4 непосредственно влияет на несколько аспектов надёжности и функционирования печатной платы:

• Целостность сигнала : Более толстые или тонкие подложки влияют на согласованное волновое сопротивление и ширину линий передачи, что особенно важно при разработке высокочастотных и ВЧ-плат.
• Механическая прочность : Более толстый FR4 обеспечивает повышенную механическую устойчивость для поддержки тяжелых компонентов, разъёмов, а также защиты от изгиба или вибрации.
• Эффективное использование пространства : Устройства, такие как смартфоны, носимые гаджеты и медицинские приборы, могут требовать более тонких печатных плат для компактного форм-фактора.
• Термическое управление : Более толстые платы могут эффективнее рассеивать тепло в силовой электронике, но при неправильном проектировании могут также способствовать его накоплению.
• Расходы более толстые платы, как правило, требуют больше материала и могут быть дороже в производстве и обработке при сверлении, металлизации и ламинировании.

Распространенные варианты толщины FR4

Хотя возможны нестандартные толщины, стандартные размеры помогают упростить процесс Процесс производства ПЛС и обеспечить совместимость с общепринятыми методами сборки и проектирования. Ниже приведена краткая справка:

Интересный факт: Наиболее распространённая в отрасли стандартная толщина печатной платы FR4 составляет 1,6 мм (0,063 дюйма) —идеальное сочетание прочности, технологичности и совместимости для большинства компонентов и профилей краевых разъёмов.

Как выбрать подходящую толщину FR4 для вашей печатной платы

Основные аспекты при выборе толщины FR4

Вот наиболее важные факторы, которые следует учитывать при определении Толщины материала FR4 для конструкции вашей печатной платы:

1. Применение и условия эксплуатации

• Носимые устройства и многофункциональные IoT-устройства нередко требуют использования сверхтонких печатных плат (0,2–0,8 мм) для обеспечения малого веса и компактности.
• Автомобильная, промышленная автоматика и военные/аэрокосмические печатные платы выигрывают от более толстого материала FR4 (1,6 мм и выше) за счёт повышенной прочности механическая прочность и устойчивости к вибрациям, ударам и воздействию окружающей среды.
• Платы высокочастотных и РЧ-цепей могут требовать точных конфигураций слоёв и индивидуальной толщины для контроля импеданса.

2. Электрические характеристики: целостность сигнала и импеданс

• Расстояние между слоями (определяемое толщиной основного слоя и препреги) напрямую влияет на распространение сигнала, сопряжение импеданса , и целостность сигнала .
• Высокоскоростная конструкция используются полевые решатели для расчёта точной ширины и расстояния между проводниками — при этом изменение толщины FR4 даже незначительно может сместить целевые значения импеданса.

3. Профиль компонента и крепление

• Высокие компоненты, компоненты с проходным монтажом или краевые разъёмы требуют более толстого основания для надёжной механической фиксации.
• Платы SMT (технология поверхностного монтажа), особенно с компонентами с мелким шагом, зачастую могут использовать более тонкие печатные платы для точной сборки.

4. Тепловые и механические нагрузки

• Печатные платы питания и платы, подвергающиеся быстрому циклированию температур, могут требовать увеличенной толщины для улучшения температурного коэффициента производительности и рассеивания тепла.
• Гибкость необходима для определённых соединений и динамических частей (например, в гибко-жёстких печатных платах), тогда как жёсткость важна для несущих конструкций или мобильных применений.

5. Ограничения при производстве и сборке

• Возможности производителя и оснастка могут ограничивать ваш выбор; не все фабрики по производству печатных плат поддерживают нестандартную толщину или сверхтонкие подложки.

Сводная таблица: Толщины FR4 и сферы применения

Преимущества использования материала FR4 для печатных плат

Выбор правильной подложки является основой любого успешного проектирования печатных плат (PCB), и Материал fr4 fR4 выделяется как отраслевой стандарт по веским причинам. Независимо от того, создаете ли вы простое потребительское устройство, многослойную систему управления для промышленного оборудования или следующую инновацию в области Интернета вещей, FR4 предлагает набор свойств, которые надежно соответствуют жёстким электрическим, тепловым и механическим требованиям — по цене, доступной как крупным производителям, так и небольшим опытным мастерским.

Краткий обзор: ключевые преимущества материала FR4 для печатных плат

Применение печатных плат FR4

Таблица применения печатных плат FR4

Почему материалы Rogers лучше, чем FR4?

При разработке печатных плат высокой производительности выбор материала основания имеет решающее значение. Rogers и FR4 rogers и FR4 — два наиболее распространённых материала для печатных плат, но в каких случаях выбирают Rogers и почему он часто считается лучше FR4, особенно для передовых применений?

Ключевые различия между материалами Rogers и FR4 для печатных плат

Основные причины, по которым Rogers превосходит FR4

1. Превосходная производительность на высоких частотах Печатные платы Rogers обладают значительно более низкой и стабильной диэлектрической проницаемостью, что обеспечивает минимальные потери и искажения сигнала — даже на высоких частотах. Это имеет решающее значение для таких применений, как ВЧ, микроволновые устройства, 5G и аэрокосмическая отрасль.

2. Меньшие потери сигнала (низкий коэффициент рассеяния) Благодаря низкому тангенсу угла диэлектрических потерь, ламинаты Rogers обеспечивают более чистую и быструю передачу сигнала. В отличие от них, FR4 склонен сильнее поглощать сигнал, что приводит к большим потерям — особенно при увеличении частоты.

3. Исключительное тепловое управление Материалы Rogers выдерживают более высокие температуры и обеспечивают лучшую тепловую стабильность по сравнению с FR4, что делает их надежными в сложных условиях эксплуатации (например, автомобильный радар, спутниковая связь).

4. Стабильные электрические свойства Rogers обеспечивает равномерное поведение сигнала на всех участках, что критически важно для точных конструкций. Электрические свойства FR4 могут варьироваться в зависимости от температуры и частоты.

Когда следует использовать Rogers вместо FR4?

• RF, микроволновые и миллиметровые печатные платы
• Высокоскоростные цифровые схемы (центры обработки данных, телекоммуникации, аэрокосмическая промышленность)
• Передовые автомобильные радары и датчики
• Любые применения, где приоритетом являются целостность сигнала и низкие потери сигнала

Когда FR4 всё ещё является хорошим выбором?

• Бытовая электроника и универсальные платы со средними требованиями к скорости
• Приложения, чувствительные к стоимости, без строгих требований к высокой частоте