FR-4 yra labiausiai paplitusi spausdintinių plokščių medžiaga, sudaryta iš stiklo pluošto ir epoksidinės dervos. Jis yra tvirtas, lengvas ir užtikrina gerą izoliaciją, todėl geriausiai tinka daugeliui elektronikos. Šiame straipsnyje paaiškinama FR-4 struktūra, savybės, klasės, apribojimai ir dizaino veiksniai, pateikiama išsami informacija apie tai, kada ir kaip jis turėtų būti naudojamas.
FR-4 apžvalga
FR-4 yra labiausiai paplitusi medžiaga, naudojama spausdintinėms plokštėms (PCB) gaminti. Jis pagamintas iš stiklo pluošto ir epoksidinės dervos, todėl yra tvirtas ir gerai izoliuoja elektrą. FR reiškia antipireną, o tai reiškia, kad jis gali atsispirti degimui, tačiau tai ne visada reiškia, kad jis atitinka griežtą UL 94 V-0 priešgaisrinės saugos standartą.
Ši medžiaga yra populiari, nes yra lengva, patvari ir prieinama. Jis taip pat gerai atsparus drėgmei ir karščiui, o tai padeda elektroninėms grandinėms išlikti stabilioms. Kita priežastis, kodėl FR-4 naudojamas, yra ta, kad jį galima lengvai suformuoti į viensluoksnes arba daugiasluoksnes plokštes be didelių išlaidų.
FR-4 laminato struktūra
Šiame paveikslėlyje parodyta sluoksniuota FR-4 laminato struktūra; labiausiai paplitusi medžiaga, naudojama spausdintinėse plokštėse (PCB). Viršuje ir apačioje vario folijos lakštai sudaro laidžius sluoksnius, kurie vėliau bus išgraviruoti į grandinės modelius. Tarp šių vario lakštų slypi šerdis: austas stiklo audinys, įmirkytas epoksidine derva. Stiklo pynimas suteikia mechaninį stiprumą ir matmenų stabilumą, o epoksidinė medžiaga suriša pluoštus ir suteikia tvirtumo. Kartu jie sukuria izoliacinį, bet patvarų pagrindą. Vario folijos, stiklo pluošto ir epoksidinės derinio derinys daro FR-4 tvirtą, atsparų ugniai ir idealiai tinka PCB pėdsakams palaikyti ir apsaugoti.
FR-4 elektrinės savybės
| Parametras | FR-4 diapazonas |
|---|---|
| Dielektrinė konstanta (Dk) | 3.8 – 4.8 |
| Išsklaidymo koeficientas (Df) | \~0,018 – 0,022 |
| Dielektrinis stipris | >50 kV/mm |
| Stabilumas | Skiriasi priklausomai nuo dažnumo ir stiklo pynimo |
FR-4 šiluminės savybės
| Nekilnojamasis turtas | Standartas FR-4 | Aukštos kokybės FR-4 |
|---|---|---|
| Stiklėjimo temperatūra (Tg) | 130–150 °C | ≥180 °C |
| Skilimo temperatūra (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Laikas iki delaminacijos (T260 / T288) | Mažesnis pasipriešinimas | Didesnis atsparumas |
FR-4 storio ir sudėties parinktys
| Storis / tipas | Privalumai | Apribojimai | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Plonas (<0,5 mm) | Lengvas, kompaktiškas ir gali būti lankstus | Trapus, sunkiau valdomas surinkimo metu | Standartinis (1,6 mm) | Standartinis standartas, plačiai prieinamas, ekonomiškas | Gali riboti itin kompaktiškas arba didelio tankio konstrukcijas | Storas (>2 mm) | Užtikrina standumą ir geresnį atsparumą vibracijai | Padidina bendrą svorį ir kainą |
| Individualūs daugiasluoksniai krūvos | Įgalina varžos valdymą, palaiko didelės spartos signalus ir pagerina EMI ekranavimą | Reikalauja tikslių gamybos procesų, brangesnis |
FR-4 naudojimas PCB projektavimui
• Buitinė elektronika – tai stabili pagrindinė medžiaga, galinti patenkinti kasdienį naudojimą ir pagrindinius energijos poreikius.
• Pramoninis valdymas ir automatika – FR-4 užtikrina stabilų veikimą sistemose, kurioms reikia ilgaamžiškumo ir pastovaus veikimo laikui bėgant.
• Maitinimo šaltiniai ir keitikliai – grandinėms, kurios veikia žemiau labai aukštų dažnių, FR-4 užtikrina reikalavimus atitinkančią izoliaciją ir našumą.
• Sąnaudoms jautrus dizainas – kai svarbus biudžetas, FR-4 leidžia išlaikyti mažesnes gamybos sąnaudas neprarandant patikimumo.
FR-4 ribos ir geresnės alternatyvos
Kai FR-4 netinka
• Aukšto dažnio grandinės – virš maždaug 6–10 GHz, FR-4 sukelia didesnį signalo praradimą, todėl jis netinka pažangiems RF ar mikrobangų dizainams.
• Itin didelis duomenų perdavimo greitis – esant tokiam greičiui kaip PCIe Gen 5 ir didesnis (25+ Gbps), FR-4 prideda per daug delsos ir įterpimo praradimo, sumažindamas signalo vientisumą.
• Aukštos temperatūros sąlygos – standartinis FR-4 pradeda greičiau irti, kai yra veikiamas aukštesnės nei maždaug 150 °C temperatūros, todėl jis yra nepatikimas ilgalaikiam naudojimui tokioje aplinkoje.
FR-4 alternatyvos
| Medžiaga | Naudojimo atvejis |
|---|---|
| Rogers laminatai | RF ir mikrobangų krosnelės dizainas, kuriam reikalingas mažas signalo praradimas |
| PTFE kompozitai | Itin maži dielektriniai nuostoliai tikslioms aukšto dažnio grandinėms |
| Poliimidas | Atsparumas aukštai temperatūrai atšiaurioje aplinkoje |
| Keramika | Ypatingas našumas ir ilgaamžiškumas esant įtampai |
FR-4 klasės ir panaudojimas
Standartinis FR-4
Standartinio FR-4 stiklėjimo temperatūra (Tg) yra apie 130–150 °C. Tai labiausiai paplitusi rūšis, naudojama elektronikoje, biuro įrangoje ir standartinėse pramoninėse valdymo sistemose.
Aukštas Tg FR-4
High-Tg FR-4 siūlo 170–180 °C ar aukštesnę Tg. Ši klasė reikalinga litavimo procesams be švino ir naudojama automobilių elektronikoje, aviacijos plokštėse ir kitose konstrukcijose, kurioms reikalingas didesnis šiluminis stabilumas.
Aukštas CTI FR-4
Aukšto CTI FR-4 lyginamasis sekimo indeksas (CTI) yra 600 ar didesnis. Jis pasirenkamas maitinimo šaltiniams, keitikliams ir aukštos įtampos grandinėms, kur reikalingi saugūs šliaužimo ir atstumai.
FR-4 be halogenų
FR-4 be halogenų pasižymi savybėmis, panašiomis į standartinius arba didelio Tg tipus, tačiau išvengiama halogeninių antipirenų. Jis naudojamas ekologiškam dizainui, kuris turi atitikti RoHS ir REACH aplinkosaugos standartus.
Signalo vientisumo problemos FR-4
Problema
FR-4 tvirtumui naudoja austą stiklo audinį, tačiau šis pynimas nėra visiškai vienodas. Frezuojant diferencialines poras, vienas pėdsakas gali praeiti daugiausia per stiklo ryšulius, kurių dielektrinė konstanta yra didesnė, o kitas pėdsakas eina per dervą, kurios dielektrinė konstanta yra mažesnė. Dėl šio netolygaus poveikio signalai sklinda šiek tiek skirtingu greičiu, sukurdami vadinamąjį pluošto pynimo iškrypimą.
Poveikis
Greičio skirtumas tarp dviejų signalų lemia laiko neatitikimus. Esant dideliam duomenų perdavimo greičiui, šis neatitikimas pasireiškia kaip diferencialinis iškrypimas, papildomas virpėjimas ir net akių diagramos uždarymas. Šis poveikis gali sumažinti signalo vientisumą ir apriboti didelės spartos ryšio kanalų veikimą.
Sprendimai
Diferencialų porų frezavimas 10–15° kampu į pynimą padeda išvengti pėdsakų sutapimo tiesiai su stiklo ryšuliais. Pasirinkus išskleistus stiklo audinius, tokius kaip 3313 stiliai, dielektrinės savybės tampa vienodesnės. Stulbinančios diferencialinės poros užtikrina, kad abu pėdsakai susidurtų su panašiu medžiagų mišiniu. Biudžeto sudarymo iškrypimas laiko modeliavime leidžia numatyti ir atsižvelgti į šiuos efektus prieš gaminant.
Drėgmės ir patikimumo rizika FR-4
Drėgmės poveikis
• Tg sumažinimas reflow metu – absorbuota drėgmė sumažina stiklėjimo temperatūrą, todėl medžiaga tampa mažiau stabili litavimo metu ir gali sukelti delaminaciją.
• Dielektrinis degradavimas – esant aukštiems dažniams, drėgmė padidina dielektrinius nuostolius, o tai sumažina signalo kokybę GHz greičio konstrukcijose.
• Laidus anodinis siūlas (CAF) – viena iš rimčiausių pavojų, CAF atsiranda, kai vario jonai migruoja per epoksidą esant elektriniam poslinkiui, sudarydami paslėptus laidžius kelius, kurie gali sukelti trumpuosius ryšius tarp pėdsakų ar vias.
Drėgmės problemų mažinimas
• Laikykite lentas sausas ir sandarias, kad nepatektų drėgmė.
• Prieš naudojimą kepkite lentas, jei jos buvo veikiamos drėgmės.
• Pasirinkite CAF atsparų FR-4 didelio tankio arba aukštos įtampos konstrukcijoms.
• Laikykitės IPC tarpų taisyklių, kad sumažintumėte šortų riziką.
Veiksniai, kuriuos reikia patikrinti prieš perkant FR-4
• Nurodykite laminato rūšį ir IPC-4101 pasvirąjį brūkšnį, kad išvengtumėte painiavos.
• Įtraukite dažnio dielektrinės konstantos (Dk) ir išsklaidymo koeficiento (Df) vertes numatytai darbo juostai.
• Patvirtinkite šiluminius reikalavimus Tg ≥ 170 °C ir Td > 300 °C, kad būtų užtikrintas litavimas be švino ir ilgalaikis šilumos stabilumas.
• Iškvieskite vario folijos šiurkštumą didelio greičio sluoksniams, kad sumažintumėte įterpimo nuostolius.
• Atkreipkite dėmesį į lyginamojo sekimo indekso (CTI) reitingą, kai projektuojate aukštos įtampos kelius.
• Pasirinkite CAF atsparų laminatą tankiems laukams arba aukštos įtampos įrenginiams.
• Pridėkite tvarkymo ar laikymo instrukcijas, kad kontroliuotumėte drėgmę ir išvengtumėte delaminacijos.
• Paprašykite stiklo audinio diferencialinėms poroms, kad sumažintumėte pluošto pynimo pasvirimą.
Išvada
FR-4 pasižymi tvirtumu, izoliacija ir ekonomiškumu, todėl išlieka standartine PCB medžiaga. Vis dėlto jis turi ribas aukšto dažnio, didelio greičio ar aukštos temperatūros sąlygomis. Žinodami elektrinius, šiluminius ir patikimumo veiksnius bei pasirinkę tinkamą rūšį, galite užtikrinti stabilų veikimą arba pereiti prie geresnių alternatyvų, kai to reikalauja dizainas.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kas yra IPC-4101 FR-4?
Tai standartas, apibrėžiantis FR-4 laminato savybes, tokias kaip Tg, Dk ir drėgmės absorbcija.
Kuo FR-4 skiriasi nuo metalinių PCB?
FR-4 skirtas bendrosioms PCB, o metalinės šerdies PCB naudoja aliuminį arba varį, kad geriau išsklaidytų šilumą.
Ar FR-4 galima naudoti lanksčiose PCB?
Ne, FR-4 yra standus. Tai gali būti tik standžių lanksčių konstrukcijų su poliimido sluoksniais dalis.
Kokia yra FR-4 drėgmės absorbcija?
Apie 0,10–0,20%, o tai gali sumažinti stabilumą, jei netinkamai iškepsite ar laikysite.
Ar FR-4 tinka aukštos įtampos grandinėms?
Taip, aukštos CTI markės (CTI ≥ 600) naudojamos maitinimo šaltiniuose ir keitikliuose.
Kodėl FR-4 svarbus vario folijos šiurkštumas?
Šiurkšti folija padidina signalo praradimą; lygios plėvelės pagerina greitą veikimą.