чому-матеріал-fr4-у-виготовленні-друкованих-плат

чому-матеріал-fr4-у-виготовленні-друкованих-плат

Посібник з матеріалу FR4 у проектуванні друкованих плат. Оберіть матеріал FR4 для вашої спеціальної друкованої плати, щоб забезпечити міцність, стабільну роботу та економічну ефективність у будь-якому проекті з проектування чи виробництва друкованих плат. Дізнайтеся більше про матеріал FR4 у виготовленні друкованих плат. З’ясуйте, чому плати FR4 широко використовуються, як обрати FR4 для вашої друкованої плати та які в них чудові термічні властивості

чому-матеріал-fr4-у-виготовленні-друкованих-плат

Дізнайтеся більше про матеріал FR4 у виготовленні друкованих плат. Зрозумійте, чому плати FR4 широко використовуються у проектуванні друкованих плат завдяки чудовим термічним властивостям. Обирайте FR4 вже сьогодні.

Вступ

FR4 є домінуючим основним матеріалом для виготовлення друкованих плат, склопластику на основі епоксидної смоли, що відповідає стандартам IPC-4101; «FR» позначає вогнестійкість за UL94 V-0, «4» — четверте покоління цієї серії склопластику; матеріал складається з тканини зі скловолокна (армування), епоксидної смоли (зв’язувальна матриця) та ламінованої мідної фольги, утворюючи жорстку, міцну основу для електронних схем. Він замінив менш якісні матеріали, такі як фенольні склопластики на паперовій основі, поєднуючи механічну стабільність, надійні електричні характеристики, вигідне співвідношення ціни та простоту у виробництві, ідеально відповідаючи сучасним вимогам електроніки щодо мініатюризації, високих робочих температур та складних схем. Його універсальність задовольняє галузеві потреби: медичні пристрої, автомобільна електроніка та побутова електроніка. У цьому вступі описано основний склад FR4, ключові переваги та універсальність застосування, залишаючи простір для глибшого вивчення технічних характеристик, порівняння з альтернативними матеріалами та галузевих оптимізацій у наступних матеріалах.

Ключові властивості та переваги підкладки FR4

1. Вогнестійкість

Відповідає стандарту UL94 V-0 (самозгасання протягом 10 с, відсутність горючих крапель). Вогнестійкість забезпечується скловолокном/епоксидною смолою (вогнестійкі добавки в епоксидну смолу, скловолокно як бар'єр полум'ю), що відповідає глобальним нормам безпеки для медичних, автомобільних та промислових керованих галузей.

2. Широкий діапазон робочих температур

Зберігає стабільність при температурах від -50°C до 115°C. Стійкий до крихкості при низьких температурах та розм'якшення смоли при високих, що усуває необхідність у спеціальних термозахисних рішеннях і зменшує витрати на проектування/виробництво.

3. Висока температура склування (Tg)

Стандартна Tg: 135–150°C; високотемпературний клас: >170–180°C. Критично важлива для безсвинцевого паяння (240–260°C) та пристроїв із частими циклами нагріву, запобігає деформації, розшаруванню або відшаруванню фольги міді.

4. Висока механічна та структурна міцність

Композитна структура забезпечує відмінне співвідношення міцності до ваги та жорсткості. Запобігає деформації під час складання та тривалого використання, забезпечуючи точність розташування компонентів для прецизійних пристроїв і стійкість до механічних навантажень протягом тривалого терміну служби.

5. Відмінні електричні властивості

Стабільна діелектрична проникність (Dk: ~4,3–4,8) для постійного поширення сигналу; низький коефіцієнт втрат (Df) для енергоефективності; висока поверхнева питома опірність для ізоляції між слідами. Ідеально підходить для більшості цифрових і аналогових кіл.

6. Низьке вбирання вологи

Щільна структура запобігає проблемам, пов’язаним з вологою (розшарування, корозія міді). Підходить для морських, вуличних та вологих середовищ (наприклад, операційних медичних кімнат) без додаткового водонепроникного покриття.

7. Вигідне співвідношення ціни та якості та широка доступність

Сировина, закуплена на глобальному рівні, та відпрацьовані процеси забезпечують економічну ефективність для прототипів та масового виробництва. Повна сумісність зі стандартним виготовленням друкованих плат (свердління, травлення, металізація), що скорочує терміни виготовлення та знижує виробничі бар'єри.

Властивості матеріалу FR4: Порівняння виробників

Ринок FR4 у світі домінує надійними постачальниками, які дотримуються стандартів IPC-4101, забезпечуючи стабільну якість та технічну підтримку (критично важливо для автомобільної та медичної галузей). До провідних виробників належать Isola (США), Nelco (США), Ventec (Тайвань, Китай), Panasonic (Японія) та SHENGYI (Китай).
Нижче наведено детальну порівняльну таблицю основних матеріалів FR4 від провідних виробників із вказівкою ключових параметрів та переваг для застосування:

Обмеження матеріалів друкованих плат FR4

Хоча FR4 є універсальним, він має власні обмеження, які обмежують його використання в спеціалізованих застосуваннях, що вимагає ретельного підходу під час вибору матеріалу:

1. Висока потужність, напруга та тепло

Епоксидна смола матриці FR4 має обмежену теплопровідність і стійкість до напруги порівняно зі спеціалізованими матеріалами. У застосунках з високою потужністю та високою напругою (наприклад, перетворювачі енергії, джерела живлення з високою напругою) тривалий вплив високих температур може призводити до деградації смоли, а надмірна напруга — до пробою ізоляції. Це обмежує його використання в пристроях з високою густиністю струму або робочими напругами понад 1 кВ, де більш придатними є матеріали, такі як керамічні основи або полііміди.

2. Проблеми з керованою імпедансністю

Контрольований імпеданс є критичним для передачі високочастотних сигналів, але діелектрична проникність (Dk) матеріалу FR4 виявляє змінність на високих частотах (понад 1 ГГц). Ця змінність призводить до нестабільних значень імпедансу по всій друкованій платі, викликаючи відбиття сигналів, наводки та розбіжності імпедансу. У високочастотних ВЧ-конструкціях (наприклад, модулі 5G, радіолокаційні системи) це обмеження може серйозно впливати на цілісність сигналу, через що матеріал FR4 є менш придатним, ніж матеріали з низьким Dk, наприклад, шаруваті матеріали Роджерса.

3. Втрати сигналу на високій частоті

Коефіцієнт розсіювання (Df) FR4 зростає з частотою, що призводить до значного згасання сигналу на частотах у гігагерцовому діапазоні. У порівнянні зі спеціалізованими матеріалами для високих частот (наприклад, PTFE, серія Rogers 4000), які мають наднизький Df, FR4 страждає від більших втрат енергії в мікрохвильових та міліметрових хвильових застосуваннях. Це робить його непридатним для радіолокаційних систем, супутникового зв'язкового обладнання та інших високочастотних електронних пристроїв, які вимагають мінімальних втрат сигналу.

Поради щодо вибору правильного матеріалу FR4 для друкованих плат

Вибір відповідного класу FR4 вимагає узгодження властивостей матеріалу з вимогами до проектування друкованої плати, умовами експлуатації та виробничим процесом. Нижче наведено практичні рекомендації:

1. Врахування товщини

Товщина основи FR4 коливається від 0,2 мм (ультратонка) до 3,2 мм (товста), вибір залежить від потреб застосування: тонкий FR4 (≤0,8 мм) має переваги у гнучкості та економії місця, що робить його ідеальним для компактних пристроїв, таких як мобільні телефони, носимі пристрої та тонкі промислові датчики; товстий FR4 (≥1,6 мм) забезпечує підвищену механічну міцність і структурну підтримку, підходить для великих друкованих плат, потужних пристроїв і обладнання, що піддається механічним навантаженням (наприклад, панелі керування промисловим устаткуванням).

2. Високопродуктивні та високотемпературні марки

Обирайте FR4 з високою температурою склування (Tg >150°C), коли друкована плата підлягатиме безсвинцевому паянню (вищі температури) або працюватиме в умовах підвищеної температури (наприклад, у моторному відділенні автомобіля, промислових печах). FR4 зі стандартною температурою склування (135–150°C) достатній для застосувань при низьких температурах, таких як побутова електроніка, офісне обладнання та внутрішні датчики, забезпечуючи вигідне співвідношення вартості та продуктивності без компрометування базових характеристик.

3. Діелектрична стабільність

Для високочастотних цифрових або аналогових схем (наприклад, серверів центрів оброблення даних, комунікаційних роутерів) пріоритетними є марки FR4 із стабільною діелектричною сталою (Dk) у робочому діапазоні частот. Стабільне значення Dk забезпечує постійне поширення сигналу та мінімізує спотворення сигналу, що критично важливо для збереження точності передачі даних і продуктивності пристрою.

4. Зверніться до технічних описів виробника

Використовуйте ресурси, надані виробником, щоб приймати обґрунтовані рішення: застосовуйте онлайн-інструменти, такі як вибір матеріалів (надані компаніями Isola, Ventec тощо), щоб фільтрувати матеріали за Tg, Dk та вологопоглинанням; використовуйте калькулятори імпедансу щоб перевірити, чи задовольняє обраний FR4 вимоги до контрольованого імпедансу; та звертайтеся до Посібників з проектування для виробництва (DFM) щоб переконатися, що матеріал сумісний з процесами збірки (наприклад, свердління, паяння, нанесення конформного покриття).

Стандарти IPC-A-600 та IPC-6012 для FR4

Стандарти IPC (Асоціація, що об'єднує електронну промисловість) встановлюють суворі критерії якості для друкованих плат FR4, забезпечуючи узгодженість та надійність у всій галузі. Два основні стандарти, що стосуються FR4: IPC-A-600 (Допустимість друкованих плат) та IPC-6012 (Кваліфікація та експлуатаційні вимоги до жорстких друкованих плат):

1. Стандарти, пов’язані з поверхнею основного матеріалу

IPC-A-600 визначає вимоги до якості поверхні основи FR4, зосереджуючись на проблемах оголення тканини та текстури тканини. Надмірне оголення тканини (коли скловолокно видно крізь смолу) може погіршувати адгезію припою та впливати на рівномірність нанесення паяльної маски, тоді як неоднорідна текстура тканини може призводити до неточностей при монтажі компонентів. Ці дефекти класифікуються за ступенем важкості, причому Клас 3 (для високонадійних застосувань, таких як медичне та авіаційно-космічне обладнання) вимагає суворого дотримання стандартів гладкості поверхні.

2. Проблеми підповерхневих шарів основного матеріалу

IPC-6012 регулює підповерхневі дефекти у субстратах FR4, включаючи виникнення тріщин у смолі (тонкі тріщини в смолі), крейзинг (мережа мікротріщин), розшарування (відокремлення шарів), бульбашки (повітряні або вологі пори) та забруднення сторонніми матеріалами. Ці дефекти серйозно впливають на надійність багатошарових та високощільних друкованих плат, оскільки можуть призвести до електричних коротких замикань, механічного пошкодження або передчасного виходу пристрою з ладу. Стандарт передбачає ретельне обстеження (наприклад, рентгенівське, ультразвукове тестування) для виявлення підповерхневих дефектів, особливо для критичних застосувань у автомобільній та авіаційно-космічній галузях.

Коли FR4 — не найкращий вибір

Незважаючи на широке поширення, FR4 не підходить для спеціалізованих застосувань із екстремальними вимогами. Альтернативні матеріали слід розглядати в таких випадках:

• Високочастотні маловтратні кола : Для РЧ/мікрохвильових пристроїв, базових станцій 5G та радіолокаційних систем матеріали, такі як PTFE (тефлон) або ламінати Rogers, мають надзвичайно низькі Dk та Df, що мінімізує втрати сигналу на високих частотах.
• Жорсткі середовища : У середовищах з хімічним впливом (наприклад, промислове обладнання для хімічної переробки) або інтенсивним випромінюванням (наприклад, супутники в авіації та космонавтиці) поліімідні або керамічні підкладки забезпечують кращий опір хімічним речовинам і випромінюванню порівняно з FR4.
• Ультратонкі вимоги до високої гнучкості : Для гнучких друкованих плат (FPC) у носимих пристроях або складаних електронних пристроях переважно використовуються гнучкі матеріали, такі як поліімід (PI), замість жорсткого FR4, оскільки вони можуть витримувати багаторазке вигинання без пошкодження структури.

Застосування друкованих плат FR4

Збалансовані характеристики та вартість FR4 роблять його найпоширенішим матеріалом для підкладок у різних галузях промисловості, основні сфери застосування включають:

• Споживча електроніка : Використовується у мобільних телефонах, ноутбуках, планшетах, носимих пристроях та побутовій техніці (наприклад, смарт-телевізори, холодильники), де важливий баланс продуктивності, вартості та компактного дизайну.
• Промислове обладнання : Використовується в системах промислового керування, ПЛК (програмованих логічних контролерах), датчиках та перетворювачах електроживлення, використовуючи свою механічну міцність і широкий діапазон робочих температур для витримування жорстких умов заводського середовища.
• Автомобільна електроніка : Інтегрується в блоки керування двигуном (ECU), інформаційно-розважальні системи та компоненти ADAS (системи підвищення безпеки водіння), де матеріали FR4 з високим Tg забезпечують надійність при екстремальних коливаннях температури та вібраціях.
• Медичні прилади : Використовується в діагностичному обладнанні (наприклад, ультразвукових апаратах, глюкометрах) та імплантуючих допоміжних пристроях, де низьке вбирання вологи та біосумісність (завдяки спеціальній обробці поверхні) відповідають суворим медичним стандартам безпеки.
• Інші використання : Використовується як несучі конструкції, трансформатори та прокладки в електронних збірках, використовуючи свою жорсткість та ізоляційні властивості для підвищення стабільності пристроїв.

Що таке FR4?

Коли інженери обговорюють виготовлення друкованих плат або виробництво друкованих плат, термін FR4 майже синонім основи сучасної електроніки. У своїй основі FR4 — це композитний Матеріал який утворює основний структурний і електричний каркас більшості друкованих плат, що використовуються сьогодні. Але FR4 — це набагато більше, ніж просто «підкладка для ПЛІС»; це захопливе поєднання матеріалознавства, сертифікації безпеки та інженерних характеристик.

Що означає FR4?

FR4 є скороченням від «Flame Retardant 4»  — стандарту, встановленого Національною асоціацією виробників електротехнічного обладнання (NEMA), для скловолоконних епоксидних шаруватих матеріалів. «FR» означає Вогнестійкий запобігання поширенню полум'я, властивість, критично важливу для безпеки всієї електроніки, яка забезпечує самозатухання матеріалу та перешкоджає поширенню вогню. «4» відрізняє його від інших специфікацій NEMA, що полегшує конструкторам і інженерам вибір матеріалу з передбачуваними характеристиками та глобальним визнанням.

Основні факти про FR4:

• Вогнестійкий позначення має важливе значення для електроніки, призначеної для побутового, промислового або критичних з точки зору безпеки середовищ.
• Використовується по всьому світу, згадується практично в кожному Стандарті галузі друкованих плат та формі випуску.
• Відповідність стандартам UL94V-0 показник самозагасання полум'я, що забезпечує самозагасання матеріалу протягом 10 секунд після запалювання (без горіння крапель).

Роль FR4 у виготовленні друкованих плат

На технічному рівні FR4 — це ламінат із епоксидної смоли, армованої скловолокном . Це означає, що фактично це композит: шари щільної тканини зі скловолокна (для міцності) просочені епоксидною смолою (для адгезії, ізоляції та механічної стійкості). Отримані листи FR4 використовуються як Матеріал основи PCB , пропонує чудливий поєднання електричної ізоляції, механічної міцності та вигідного співвідношення ціни та якості.

Роль матеріалу FR4 у виготовленні друкованих плат можна сформулювати так:

• Структурна підтримка: FR4 забезпечує жорстку, стабільну основу, здатну підтримувати мідні провідники, контактні майданчики, отвори та важкі компоненти без деформації чи надмірного вигинання.
• Електрична ізоляція: Епоксидна смола у FR4 має високий електричний опір і низькі діелектричні втрати, що є критично важливим для мінімізації витоку струму та збереження цілісності сигналу, особливо в матеріалах для високошвидкісних PCB .
• Захист від полум'я: Природна вогнестійкість (UL94V-0) матеріалу FR4 є необхідною для відповідності вимогам законодавства щодо безпеки та промисловим нормам по всьому світу.
• Сумісність: FR4 легко обробляється за допомогою стандартних технологій виробництва друкованих плат, включаючи свердління, травлення, паяння (HASL, ENIG та інші) та ламінування багатошарових структур.

Розподіл складу:

• Вміст скловолокна: 40-60% за вагою — забезпечує механічну міцність, жорсткість і основу для підготовки багатошарових друкованих плат (преґрип).
• Вміст епоксидної смоли: 30-60% за вагою — забезпечує відмінну поверхневу стійкість, термостійкість і міцне зчеплення шарів міді.
• Поширені добавки: Затримувачі полум'я, агенти для вулканізації та модифікуючі агенти — підбираються різними виробниками для спеціалізованих варіантів FR4.

Відгуки з галузі:

«Суміш властивостей FR4 — самозагасання, механічна міцність та електрична ізоляція — не має собі рівних серед альтернатив для загального використання у виробництві друкованих плат». — Інженер-матеріалознавець, Комітет стандартів IPC

Чому FR4 вважається стандартом у виробництві друкованих плат

Від малих партій друкованих плат для стартапів і прототипування до багатошарових друкованих плат великих обсягів у авіаційній або автомобільній промисловості, матеріал FR4 завдяки неперевершеному поєднанню продуктивності, безпеки та вартості стає основним діелектричним матеріалом:

• Широко доступний доступний від багатьох глобальних постачальників, що зменшує витрати та спрощує закупівлю
• Стале якість відповідає стандартам IPC, UL та міжнародним нормам безпеки
• Гнучкість у широкому діапазоні Товщин друкованих плат , ваги міді та кількості шарів — від простих однoshарових до складних багатошарових плат

Швидка довідкова таблиця: Основи FR4

Матеріал FR4 став еталоном для Матеріалів основи друкованих плат не тільки завдяки своїм технічним характеристикам, а й через перевірену надійність і глобальну стандартизацію . Його поєднання стіклоґніт та епоксидна смола пропонує унікальну синергію — роблячи його більшим, ніж просто товар, а радше основою безлічі інновацій у електроніці.

Висновок

FR4 є стандартною підкладкою для друкованих плат завдяки неперевершеному поєднанню міцності, вигідної ціни, надійної ізоляції та стабільних механічних і електричних характеристик, що задовольняє основні потреби побутової електроніки, автомобільної промисловості, промислової автоматики та медичного обладнання. Однак він не підходить для передових високочастотних застосувань (наприклад, 5G, радари) або екстремальних умов (висока радіація, агресивні хімікати), де потрібні спеціалізовані матеріали. Ключ до оптимального використання полягає у точному підборі марки, товщини та властивостей FR4 залежно від вимог проекту — наприклад, високотемпературні марки (високий Tg) для безсвинцевого паяння або надтонкі варіанти для компактних пристроїв.

Часто задані питання

• Який рівень вологовбирання у FR4?

Стандартний FR4: 0,15–0,20% (24-годинне занурення при 23°C); високоефективні марки: 0,12–0,15%, ідеально підходять для вологих/морських умов.

• Як діелектрична проникність змінюється з частотою?

Dk зменшується з частотою: 4,3–4,8 на 1 МГц (стабільно для низькошвидкісного використання); 3,8–4,2 на 1–10 ГГц. Високопродуктивний FR4 мінімізує цю змінність для високошвидкісних схем.

• Чи можна використовувати FR4 для великоформатних або надтонких друкованих плат?

Так. Надтонкий FR4 (0,2–0,8 мм) підходить для носимих/складаних пристроїв; великоформатний FR4 (понад 500 мм × 600 мм) використовує марки з низьким КТР і високою жорсткістю, щоб уникнути деформації.

• Чи є FR4 вторинно переробним або небезпечним?

Не є небезпечним за міжнародними стандартами. Можливості вторинної переробки обмежені, але мідну фольгу можна видобути та повторно використати; решта суміші скловолокна/смоли викидається на звалища або використовується як будівельний заповнювач.

• Як щодо паяння без свинцю з FR4?

Сумісний з паянням без свинцю (240–260 °C) при використанні FR4 з високим Tg (>170–180 °C); стандартний Tg (135–150 °C) має ризик деформації або розшарування.