Що таке матеріал FR4?

Що таке матеріал FR4?

Обираючи правильний матеріал для друкованої плати має критичне значення для продуктивності, надійності та вартості вашого електронного проекту. Матеріал FR4 для друкованих плат є найпоширенішим матеріалом у промисловості друкованих плат. У цьому детальному посібнику ми розглянемо, чому FR4 є стандартом, його основні властивості, переваги та обмеження, поради щодо вибору правильного матеріалу FR4 та те, як він порівнюється з іншими варіантами матеріалів для друкованих плат.

Що таке FR4?

FR4 означає Вогнестійкий 4 , скло-епоксидний композит, армований скловолокном. Ця композитна структура надає FR4 виняткову механічну міцність, добру електричну ізоляцію та важливу вогнестійкість, що робить його типовим вибором для виготовлення друкованих плат.

Що таке FR4: більше, ніж просто назва

FR4 означає " Вогнестійкий 4 ", і це позначення певного класу матеріалу склопластика на основі епоксидної смоли , який використовується як основа для друкованих плат. «FR» вказує на його вогнегасні властивості, що є важливим для дотримання норм електробезпеки, тоді як «4» — це позначення серед різних вогнестійких матеріалів (таких як FR1, FR2, FR3 та FR5).

FR4 виготовляється з плетений шовок з стекловолокна , зв'язаних з епоксидна смола з високою температурою склування . Ця композитна конструкція створює механічно міцний, електрично ізольований та вогнестійкий матеріал — що робить його ідеальним як основа для широкого спектру Застосувань у друкованих платах , від однорівневих прототипів до складних багаторівневих високошвидкісних конструкцій.

Головні моменти:

• FR: Вогнестійкий, важливий для безпеки
• 4: Вказує на скловолоконну епоксидну композицію

Властивості матеріалу FR4

• Вогнестійкість: Самозагасання, запобігає поширенню вогню.
• Електрична ізоляція: Високий електричний опір, ізолює сліди на друкованій платі.
• Механічна міцність: Міцний, легкий і стійкий до ударів.
• Діелектрична проникність (Dk): 4,2–4,8 (змінюється залежно від виробника та товщини); впливає на імпеданс і цілісність сигналу.
• Коефіцієнт розсіювання (Df): Зазвичай 0,02; впливає на втрати сигналу, особливо на радіочастотах.
• Поглинання вологи: Менше 0,2%; зберігає властивості в умовах високої вологості.
• Температура склування (Tg): Зазвичай 135–180°C.

Порівняння властивостей за виробниками

Типи матеріалу FR4 для друкованих плат

• Стандартний FR4: Для загальних застосувань (TG 135–150°C).
• FR4 з високим TG: Витримує вищі температури (до 180°C); ідеально підходить для безсвинцевого паяння та автомобільної промисловості.
• FR4 з високим CTI: Високий порівняльний індекс стійкості до прожигу; покращена стійкість до електричного пробою.
• FR4 без мідного ламінату: Використовується для ізоляції, не проводить електрику.

Переваги FR4 у друкованих платах

• Доступний: Ідеально підходить для прототипування, малих і середніх серій виробництва.
• Легкі та Міцні: Чудове співвідношення міцності до ваги.
• Низька вологосмачуваність: Надійний у вологих умовах або застосуваннях, схильних до вологи.
• Добрий ізолятор: Зберігає ізоляцію ланцюга та цілісність сигналу.

Недоліки та обмеження друкованих плат FR4

• Не підходить для високотемпературних застосувань: Максимальна температура склування становить приблизно 180 °C; не підходить для авіації чи важких потужних електронних пристроїв.
• Безсвинцеве паяння: Утруднення витримувати температуру понад 250 °C без термічного руйнування.
• Обмеження на високих частотах: Змінна Dk та вища Df можуть впливати на швидкісні, ВЧ та мікрохвильові кола.
• Проблеми виробництва: Можливість виникнення оголення тканини, мережування, крапчастості та розшарування, якщо обробка виконана неправильно.

FR4 порівняно з іншими класами FR

Застосування FR4 PCB

• Споживча електроніка: Смартфони, носимі пристрої, побутова техніка.
• Промислове керування: Автоматизація, прилади.
• Світлодіодне освітлення: Друковані плати для світлодіодних масивів.
• Автомобільні схеми: Стандартні модулі.
• Прототипування: Через доступність та простоту обробки.

IMS проти FR4: Друковані плати IMS (основа з ізольованим металом) використовують металеву основу для відведення тепла, тоді як FR4 найкраще підходить для цілісності сигналу та загального використання.

Як використовується FR4 у виготовленні друкованих плат

• Ізоляційний каркас: Основний матеріал між шарами міді у одно-, дво- та багатошарових друкованих платах.
• Ламінування міді: Шари мідної фольги приєднуються до FR4 і протравлюються для утворення схемних візерунків.

Як обрати потрібну товщину FR4

• Тонкий FR4 (0,2–0,6 мм): Невеликі, легкі, гнучкі схемні збірки.
• Стандартний FR4 (1,0–1,6 мм): Більшість побутових та промислових друкованих плат.
• Товстий FR4 (до 3,2 мм): Силові схеми, з’єднувачі, високе механічне навантаження.

Фактори, які слід врахувати:

• Обмеження розміру та ваги
• Висота компонента
• Електричну імпеданс
• Необхідна гнучкість або жорсткість

Поради щодо вибору правильного матеріалу FR4

• Узгоджуйте значення TG із максимальною температурою паяння.
• Забезпечте стабільне Dk для конструкцій, чутливих до сигналів.
• Для високочастотних або високовольтних застосунків розгляньте типи High CTI або High TG.
• Для використання у вологому середовищі або на відкритому повітрі обирайте варіанти з низьким водопоглинанням.

Чинники вартості FR4 друкованих плат

• Вартість за квадратний дюйм: Залежить від товщини, ваги міді, типу TG, кількості замовлення та покриття.
• Оптове замовлення: Нижча вартість на одиницю при більшій кількості.

Промислові стандарти: IPC-A-600 та FR4

IPC-A-600 встановлює стандарти якості для матеріалів FR4 для друкованих плат, що охоплюють:

• Допустимість виступання тканини
• Дозволені текстура та підповерхневі умови
• Порогові значення мікротріщин, мереживних тріщин і розшарування для надійності друкованих плат

Навіщо вивчати матеріал FR4 для друкованих плат?

Чи то ви інженер-конструктор, чи приймаєте рішення у сфері закупівлі електроніки, розуміння Властивостей матеріалу FR4 допомагає у:

• Вибір найкращого Матеріал підкладки друкованої плати для вашого бюджету та технічних вимог.
• Забезпечення довгостроковості Надійності PCB та безпека продукту.
• Уникнення проблем із втрата сигналу , згодження імпедансу , або механічним відмовою у готових виробах.
• Дотримання вимог галузевих стандартів, таких як UL, IPC та RoHS

Анатомія матеріалу FR4

Розглянемо детальніше, що робить Матеріал fr4 настільки ефективним і універсальним:

• Склотканина (шар тканини): Це основа забезпечує вражаючу механічна міцність , стабільність розмірів та жорсткість, що гарантує збереження форми ПКБ навіть за умов дії навантаження, вібрації або термоциклування.
• Епоксидна смола (зв'язувальний компонент/матриця): Епоксидна смола є «клейовим» матеріалом, який оточує скловолокно, забезпечуючи виняткову електроізоляція та високу стійкість до хімічних речовин. Її температури склування (Tg) визначає максимальну робочу температуру.

Разом ці компоненти утворюють підкладку з відмінними електричними властивостями, низьким вбиранням вологи та високою вогнестійкістю .

Структура матеріалу FR4 для друкованих плат

*Примітка: Мідна фольга та лак для паяння є частиною цілісної структури Процес виготовлення друкованої плати , а не самим матеріалом FR4, але тісно взаємодіють із властивостями FR4.

Основні характеристики FR4

• Вогнестійкий: Відповідає стандарту UL94-V0, самозагасається протягом 10 секунд після видалення полум'я.
• Висока діелектрична міцність : Забезпечує електричну ізоляцію між мідними доріжками.
• Механічна міцність : Відмінна стабільність розмірів і стійкість до деформації.
• Вологостійкість: Низьке водопоглинання (<0,2%); продуктивність суттєво не погіршується при високій вологості.
• Температура склування (Tg): Діапазон від 130°C (стандартний) до 200°C (FR4 з високою Tg).
• Економічно ефективний: Пропонує одне з найкращих співвідношень ціни та ефективності в галузі.

Коротка таблиця фактів: FR4 на один погляд

FR4 у виробництві друкованих плат

Підкладка FR4 для друкованих плат має вирішальне значення не лише для побутової електроніки, але й для промислових, автомобільних, військових та авіаційно-космічних друкованих плат . Його збалансовані властивості матеріалу дозволяють інтеграцію компонентів з наскрізними отворами, краєвих з’єднувачів, застосування паяльних масок, багатошарових архітектур друкованих плат , і більше.

Цитата: «Без інновацій у галузі самогасного скловолокна з епоксидною основою, такого як FR4, надійність та доступність сучасної електроніки просто не були б можливими.» — Старший науковий співробітник з матеріалознавства, глобальний виробник друкованих плат

Як визначити товщину FR4 для проектування друкованих плат

Чому важлива товщина FR4

Товщина друкованої плати FR4 безпосередньо впливає на кілька аспектів надійності та функціонування друкованої плати:

• Цілісність сигналу : Товщі або тонші підкладки впливають на контрольоване хвильове опору та ширину ліній передачі, що особливо важливо у високочастотних та РЧ-схемах.
• Механічна міцність : Товщий FR4 забезпечує підвищену механічну стійкість для підтримки важких компонентів, з’єднувачів і протидії вигину або вібрації.
• Ефективність використання простору : Пристрої, такі як смартфони, носимі пристрої та медичні гаджети, можуть потребувати тонших друкованих плат для компактних форм-факторів.
• Теплове управління : Товщі плати можуть ефективніше розсіювати тепло в потужній електроніці, але також можуть утримувати тепло, якщо їх неправильно спроектовано.
• Вартість : Як правило, товщі плати потребують більше матеріалу і можуть коштувати дорожче у виробництві та обробці через свердління, металізацію та ламінування.

Поширені варіанти товщини FR4

Хоча можливі нестандартні товщини, типові розміри допомагають оптимізувати Процес виготовлення друкованої плати та забезпечити сумісність із загальноприйнятими практиками монтажу та проектування. Ось короткий довідник:

Цікавий факт: Найпоширеніша стандартна товщина для FR4 ПКБ у промисловості 1,6 мм (0,063 дюйма) досконале поєднання довговічності, приготності до виробництва та сумісності для більшості компонентів і профілів краєвих з'єднань.

Як вибрати правильну товщину FR4 для вашого ПКБ

Ключові міркування при виборі товщини FR4

Ось найважливіші фактори, які слід розглянути при прийнятті рішення про Товщина матеріалу FR4 для вашого проекту друкованої плати:

1. Застосування та умови експлуатації

• Носимі пристрої та багатофункціональні IoT-пристрої часто вимагають надтонких друкованих плат (0,2–0,8 мм) для зменшення ваги та компактності.
• Автомобільні, промислові та військові/аерокосмічні друковані плати виграють від більшої товщини FR4 (1,6 мм і більше) завдяки підвищеній механічна міцність та стійкості до вібрації, ударів і навколишніх впливів.
• Високочастотні та РЧ-друковані плати можуть вимагати точних конфігурацій шарів і нестандартної товщини для контролю імпедансу.

2. Електричні характеристики: цілісність сигналу та імпеданс

• Відстань між шарами (задається товщиною основи та препрегу) безпосередньо впливає на поширення сигналу, згодження імпедансу , а також цілісність сигналу .
• Високошвидкісний дизайн використовує розв'язувачі полів для точного розрахунку ширини та проміжків трас — процес, при якому зміна товщини FR4 навіть незначно може зрушити цільові значення імпедансу.

3. Профіль компонентів і монтаж

• Високі компоненти зі скрізним монтажем або краєві з’єднувачі потребують більш товстого субстрату для надійного механічного кріплення.
• Плати SMT (технологія поверхневого монтажу), особливо ті, що мають компоненти з дрібним кроком, часто можуть використовувати тонші друковані плати для точного складання.

4. Теплові та механічні напруження

• Друковані плати живлення та плати, що піддаються швидкому циклічному перепаду температур, можуть потребувати збільшеної товщини для кращого температурного коефіцієнта продуктивність та розсіювання.
• Гнучкість потрібна для певних міжз'єднань і динамічних частин (як у гнучко-жорстких друкованих платах), тоді як жорсткість важлива для несучих або мобільних застосувань.

5. Обмеження виготовлення та збирання

• Можливості виробника та оснащення можуть обмежувати ваш вибір; не всі фабрики з виробництва друкованих плат підтримують нестандартну товщину або надтонкі підкладки.

Швидка довідкова таблиця: Товщина FR4 та області застосування

Переваги використання матеріалу FR4 для друкованих плат

Вибір правильного діелектрика є основою будь-якого успішного проектування друкованих плат (PCB), і Матеріал fr4 вирізняється як галузевий стандарт з вагомих причин. Незалежно від того, чи створюєте ви простий побутовий пристрій, багатошарову систему керування для промислового обладнання чи наступну інновацію в сфері IoT, FR4 пропонує набір властивостей, які надійно відповідають жорстким електричним, тепловим і механічним вимогам — за ціною, доступною як великим виробникам, так і невеликим майстерням з прототипування.

На швидкий погляд: Основні переваги матеріалу FR4 для друкованих плат

Застосування друкованих плат FR4

Таблиця застосування друкованих плат FR4

Чому матеріал Rogers кращий за матеріал FR4?

При розробці друкованих плат високопродуктивних пристроїв вибір матеріалу основи є вирішальним. Rogers та FR4 є двома найпоширенішими матеріалами для друкованих плат — але коли слід вибирати Rogers і чому його часто вважають кращим за FR4, особливо для просунутих застосунків?

Основні відмінності між матеріалами для друкованих плат Rogers і FR4

Найважливіші причини, чому Rogers кращий за FR4

1. Виняткові характеристики на високих частотах Друковані плати Rogers мають значно нижчу та стабільнішу діелектричну проникність, що забезпечує мінімальні втрати та спотворення сигналу — навіть на високих частотах. Це має важливе значення для застосувань у радіочастотних, мікрохвильових, 5G та аерокосмічних технологіях.

2. Менші втрати сигналу (низький коефіцієнт розсіяння) Завдяки низькому куту втрат, ламінати Rogers забезпечують чистішу та швидку передачу сигналу. Навпаки, FR4 схильний більше поглинати сигнал, що призводить до більших втрат — особливо зі зростанням частот.

3. Виняткове теплове управління Матеріали Rogers витримують вищі температури та пропонують кращу термічну стабільність, ніж FR4, що робить їх надійними для важких умов експлуатації (наприклад, автомобільний радар, супутниковий зв'язок).

4. Стабільні електричні властивості Rogers забезпечує однакову поведінку сигналу на всій платі, що має критичне значення для прецизійних конструкцій. Електричні властивості FR4 можуть змінюватися залежно від температури та частоти.

Коли слід використовувати Rogers замість FR4?

• Друковані плати для РЧ, мікрохвильових та міліметрових хвиль
• Високошвидкісні цифрові схеми (центри обробки даних, телекомунікації, аерокосмічна галузь)
• Сучасні автомобільні радари та датчики
• Будь-яке застосування, де пріоритетними є цілісність сигналу та низькі втрати сигналу

Коли FR4 все ще є гарним вибором?

• Побутова електроніка та звичайні друковані плати із помірними вимогами до швидкодії
• Застосунки, чутливі до вартості, без суворих стандартів високих частот