Materiał PCB FR4: właściwości, stała dielektryczna, CTE i przewodnik po arkuszach danych

Co to jest FR4? Definicja i pozycja w branży

FR4 — zapisywany także jako FR-4 — jest najpowszechniej stosowanym materiałem bazowym do płytek drukowanych na całym świecie. Oznaczenie oznacza Środek zmniejszający palność typu 4 , klasyfikacja zdefiniowana przez Krajowe Stowarzyszenie Producentów Elektrycznych (NEMA) zgodnie z nlubmą LI 1. Określa wzmocnienie z tkaniny z włókna szklanego osadzone w matrycy z żywicy epoksydowej, z systemem zmniejszającym palność na bazie bromu lub fosforu wbudowanym w żywicę, aby spełnić wymagania palności UL94 V-0.

Dominował FR4 Materiał PCB od lat 70. XX wieku, wypierając wcześniejsze fenolowe laminaty papierowe (FR1, FR2) i kompozyty bawełniano-szklane (FR3) w praktycznie wszystkich głównych zastosowaniach elektroniki. Jego połączenie właściwości izolacji elektrycznej, wytrzymałości mechanicznej, stabilności wymiarowej, odporności na wilgoć i przetwarzalności przy konkurencyjnych kosztach pozostaje nieporównywalne z żadnym alternatywnym materiałem w porównywalnej cenie. Szacowany 90% lub więcej wszystkich sztywnych płytek drukowanych produkowane na całym świecie wykorzystują jako substrat FR4 lub jego pochodną.

Termin „FR4” technicznie odnosi się do materiału laminowanego – podstawy dielektrycznej – a nie do gotowej płyty. An Płytka FR4 deska or Płytka drukowana FR4 to gotowa płyta, której podłoże stanowi laminat FR4, warstwy folii miedzianej są przyklejone do jednej lub obu powierzchni, a ścieżki przewodzące, podkładki i przelotki powstają w procesach trawienia i wiercenia.

Właściwości materiału FR4: kompletny profil techniczny

Właściwości materiału FR4 różnią się w pewnym stopniu w zależności od producenta i konkretnego składu, ale poniższe wartości reprezentują ustalony standardowy zakres dla laminatu FR4 ogólnego przeznaczenia, jak określono w arkuszach ukośnych IPC-4101 /21 i /24 (najczęstsze gatunki dostępne na rynku). Inżynierowie projektanci odwołujący się do Karta katalogowa materiału FR4 powinien traktować wartości specyficzne dla producenta jako miarodajne dla każdego produktu, ale poniższe liczby są wiarygodne dla wstępnych obliczeń projektowych.

Właściwości dielektryczne

The stała dielektryczna FR4 — zwana także przenikalnością względną (Dk lub εr) — jest jednym z najczęściej przywoływanych parametrów przy projektowaniu płytek PCB. Wyznacza prędkość propagacji sygnału i impedancję ścieżek o kontrolowanej impedancji. Standardowy FR4 ma stała dielektryczna około 4,2–4,6 mierzona przy 1 MHz, powszechnie podawana jako 4,3 lub 4,4 w celach projektowych. Przy wyższych częstotliwościach (1 GHz) względna stała dielektryczna FR4 zwykle spada do zakresu 4,0–4,2 z powodu dyspersji częstotliwości w kompozycie epoksydowo-szklanym.

Ta zależność częstotliwościowa jest krytycznym ograniczeniem standardowego FR4 w projektach cyfrowych i RF o dużej szybkości. Powyżej około 1–2 GHz różnica w przenikalność względna FR4 wraz z częstotliwością staje się na tyle znaczący, że powoduje problemy z integralnością sygnału — zmianę opóźnienia propagacji, zniekształcenie pary różnicowej i odchylenie impedancji od wartości nominalnej. Warianty FR4 o niskich stratach i specjalnie zaprojektowane laminaty o wysokiej częstotliwości (Rogers, Isola, Taconic) rozwiązują ten problem przy wyższych kosztach.

Współczynnik rozproszenia (Df, tangens strat) standardowego FR4 wynosi 0,017–0,025 przy 1 MHz , rosnąca wraz z częstotliwością. Dla porównania, Rogers RO4003C ma Df wynoszący 0,0027 — mniej więcej o rząd wielkości mniej — i dlatego standard Dielektryk FR4 materiał nie jest używany w zastosowaniach mikrofalowych ani fal milimetrowych.

Właściwości mechaniczne

FR4 to twardy, sztywny laminat o dobrej wytrzymałości na zginanie:

• Wytrzymałość na zginanie (wzdłużnie): 415–550 MPa
• Wytrzymałość na rozciąganie: 310–410 MPa (wzdłużnie)
• Moduł Younga (w płaszczyźnie): około 18–24 GPa
• Wytrzymałość na ściskanie: 415 MPa (prostopadle do laminatu)
• Twardość Rockwella (skala M): 110

Wartości te sprawiają, że FR4 jest znacznie mocniejszy niż termoplastyczne podłoża PCB i wystarczająco sztywny, aby można go było zastosować w zautomatyzowanych procesach montażu płytek PCB, w tym w trybie pick-and-place, lutowaniu na fali i rozpływie, bez konieczności stosowania wspornika mocującego dla płytek o standardowej grubości (1,0–3,2 mm).

Właściwości termiczne

Wydajność cieplna jest najczęściej cytowanym ograniczeniem FR4 w energoelektronice i zastosowaniach o wysokim rozpraszaniu:

• Przewodność cieplna FR4: 0,25–0,35 W/(m·K) w samolocie; około 0,3 W/(m·K) prostopadle do laminatu. Jest to bardzo niski poziom w porównaniu z aluminium (205 W/(m·K)) lub miedzią (385 W/(m·K)), dlatego w projektach wymagających pod względem termicznym stosuje się przelotki termiczne, wylewki miedziane i podłoża PCB z metalowym rdzeniem.
• Temperatura zeszklenia (Tg): Standardowy FR4 — 130–140°C; średnia Tg FR4 — 150–160°C; wysoka Tg FR4 — 170–180°C. Powyżej Tg matryca epoksydowa mięknie i materiał traci stabilność wymiarową. Procesy lutowania bezołowiowego osiągają szczyt w temperaturze 260°C, dlatego też dla zespołów zgodnych z RoHS zaleca się stosowanie FR4 o wysokiej Tg.
• Temperatura rozkładu (Td): 300–340°C dla gatunków standardowych; powyżej 340°C dla niezawodnych preparatów bezhalogenowych.
• Ciepło właściwe: około 1,0–1,1 J/(g·K)

Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE FR4)

The CTE FR4 jest anizotropowy — różni się znacząco pomiędzy kierunkami w płaszczyźnie (x-y) i poza płaszczyzną (oś z):

• WRC x-y (w płaszczyźnie): 14–17 ppm/°C (poniżej Tg)
• Oś Z CTE (grubość): 50–70 ppm/°C (poniżej Tg); 200–300 ppm/°C powyżej Tg

Wysoki współczynnik CTE w osi Z jest główną przyczyną pękania beczek w platerowanych otworach przelotowych (PTH) podczas cykli termicznych. Rozszerzanie się w osi Z powoduje naprężenie miedzianego cylindra przelotki, którego współczynnik CTE wynosi zaledwie 17 ppm/°C, powodując pęknięcia zmęczeniowe w promieniu kolana po powtarzających się skokach temperatury. Jest to problem związany z trwałością projektu w środowiskach o dużej liczbie cykli, takich jak elektronika samochodowa i przemysłowa, i wpływa na specyfikację wariantów FR4 o wysokiej Tg lub bezhalogenowych o niższym współczynniku CTE w osi Z.

Właściwości fizyczne

• Gęstość materiału FR4: 1,85–1,95 g/cm3 (zwykle podawana jako 1,9 g/cm3 dla standardowego szkła epoksydowego FR4). The gęstość materiału FR4 zależy przede wszystkim od udziału objętościowego włókna szklanego i układu żywicy. Wyższa zawartość szkła zwiększa gęstość; żywice bezhalogenowe z różną zawartością wypełniacza mogą nieznacznie zmieniać gęstość.
• Absorpcja wody (zanurzenie 24h): 0,10–0,20% wagowo — wystarczająco niskie, aby utrzymać parametry izolacji elektrycznej w większości środowisk operacyjnych
• Rezystywność objętościowa: 10⁸–10¹⁰ MΩ·cm
• Rezystywność powierzchniowa: 10⁴–10⁶ MΩ
• Wytrzymałość na przebicie dielektryka: 20–50 kV/mm (prostopadle do laminatu)
• Ocena palności: UL 94 V-0

Co jest PCB Układ i wpływ właściwości FR4 na decyzje projektowe

Układ PCB to proces umieszczania komponentów elektronicznych i prowadzenia miedzianych ścieżek, płaszczyzn i przelotek, które łączą je elektrycznie na płytce drukowanej. Układ jest wykonywany przy użyciu oprogramowania EDA (Electronic Design Automation) po przechwyceniu schematu i jest to etap, w którym właściwości fizyczne materiału podłoża – w tym stała dielektryczna FR4, przewodność cieplna i współczynnik CTE – bezpośrednio wpływają na wybory projektowe.

Cztery właściwości FR4 najbardziej bezpośrednio związane z decyzjami dotyczącymi układu PCB to:

• Stała dielektryczna (Dk): określa impedancję śladów mikropaskowych i paskowych. Ślad mikropaskowy 50 omów na standardowym FR4 (Dk ≈ 4,3) wymaga obliczenia innej szerokości niż ten sam ślad na Rogers RO4003C (Dk = 3,55). Kalkulatory impedancji muszą używać prawidłowej wartości Dk dla określonego laminatu FR4, a nie wartości ogólnej.
• Przewodność cieplna: niska przewodność cieplna (0,3 W/(m·K)) powoduje, że ciepło wytwarzane przez komponenty słabo rozprowadza się po płycie. Układ musi kompensować konstrukcję reliefu termicznego, obszary wylewania miedzi połączone z płaszczyznami uziemienia oraz układy termiczne poprzez układy pod komponentami o wysokim poziomie rozpraszania, takimi jak tranzystory MOSFET mocy, regulatory i wzmacniacze mocy RF.
• Niedopasowanie CTE: współczynnik CTE w płaszczyźnie ~14–17 ppm/°C FR4 jest zbliżony, ale nie identyczny z CTE wielu układów scalonych (krzem: ~2,6 ppm/°C; ceramika: ~6–7 ppm/°C; pakiety BGA dopasowane do FR4: ~14–16 ppm/°C). W przypadku komponentów o znacznym niedopasowaniu CTE, stosowanie niedopełnień, testowanie cyklu termicznego zgodnie z IPC-9701 i umieszczanie komponentów z dala od punktów naprężeń na płycie (narożniki, otwory montażowe) to standardowe praktyki projektowania.
• Styczna straty: tłumienie sygnału w FR4 wzrasta gwałtownie wraz z częstotliwością ze względu na stosunkowo wysoki Df. W przypadku par różnicowych przenoszących sygnały powyżej 2–3 Gb/s minimalizacja długości ścieżki, minimalizacja przejść warstw i uwzględnienie niskostratnych wariantów FR4 to strategie łagodzące na poziomie układu przed przejściem na zupełnie inny materiał podłoża.

Warianty FR4: porównanie standardowe, o wysokiej Tg, bezhalogenowe i FR1

Nie wszystkie Materiał płytki drukowanej FR4 jest równoważne. Oznaczenie podstawowe obejmuje rodzinę preparatów o znacząco różnych profilach działania w zależności od systemu żywicy i składu wypełniacza.

Standardowy FR4 (Tg 130–140°C)

Preparat bazowy, odpowiedni do zastosowań w elektronice użytkowej, przemyśle ogólnym i telekomunikacji, przetwarzanych lutem cynowo-ołowiowym (szczytowy rozpływ ~220°C). Nie zaleca się stosowania w przypadku bezołowiowego rozpływu bez potwierdzenia, że ​​dany produkt laminowany jest przystosowany do pracy w szczytowych temperaturach procesu wynoszących 260°C.

Wysoka Tg FR4 (Tg 170–180°C)

Zawiera zmodyfikowaną żywicę epoksydową (często wielofunkcyjną mieszankę epoksydów lub estrów cyjanianowych), która podnosi Tg do 170–180°C. Zapewnia to większy margines termiczny dla obróbki bezołowiowej, zmniejsza współczynnik CTE w osi Z i poprawia odporność na rozwarstwianie w płytach wielowarstwowych o dużej gęstości. High-Tg FR4 to standardowa specyfikacja w zastosowaniach motoryzacyjnych, przemysłowych, serwerowych i wojskowych.

Bezhalogenowy FR4

Tradycyjny FR4 wykorzystuje środki zmniejszające palność na bazie bromu (tetrabromobisfenol A, TBBPA), które podczas spalania wytwarzają toksyczny bromowodór. Warianty bezhalogenowe zastępują je systemami zmniejszającymi palność na bazie azotu fosforu lub trójwodorotlenku glinu (ATH). Bezhalogenowy FR4 ma niższą Dk (zwykle 3,8–4,2) i nieco inne właściwości mechaniczne niż bromowane odpowiedniki. Jest to coraz bardziej wymagane w europejskiej elektronice użytkowej zgodnie z ramami RoHS i REACH oraz w niektórych motoryzacyjnych łańcuchach dostaw.

Materiał PCB FR1 vs. FR4

PCB FR1 to fenolowy laminat papierowy — podłoże papierowe impregnowane żywicą fenolową — a nie kompozyt włókno szklane-epoksyd. Jest znacznie tańszy niż FR4, pozwala na czyste dziurkowanie, a nie wiercenie, i jest stosowany w prostych jednostronnych płytkach drukowanych do zastosowań wrażliwych na koszty, takich jak piloty zdalnego sterowania, elektronika zabawkowa i proste płytki zasilające. FR1 ma znacznie gorszą izolację elektryczną, odporność na wilgoć i wytrzymałość mechaniczną w porównaniu do FR4 płytka drukowana materiału i nie nadaje się do konstrukcji wielowarstwowych, umieszczania komponentów o drobnej podziałce ani do innych zastosowań wymagających niezawodności w warunkach cykli termicznych lub narażenia na wilgoć.

Kiedy FR4 nie jest właściwym materiałem na PCB

Pomimo swojej dominacji, Materiał PCB FR4 ma dobrze określone granice zastosowań. Zrozumienie, gdzie występują niedociągnięcia, pomaga inżynierom dokonać prawidłowego wyboru podłoża już na początku, zamiast odkrywać ograniczenia w trakcie testowania.

• RF i mikrofale (powyżej 1–2 GHz): Zależne od częstotliwości Dk i wysokie Df FR4 sprawiają, że nie nadaje się on do anten mikropaskowych, frontów radarowych i sieci dopasowujących RF powyżej niskich częstotliwości GHz. Zamiast tego stosowane są laminaty na bazie PTFE (Rogers, Taconic), laminaty węglowodorowe z wypełnieniem ceramicznym (seria Rogers RO4000) i modyfikowane materiały epoksydowe o niskiej stratności.
• Diody LED dużej mocy i elektronika mocy: Niska przewodność cieplna FR4 (0,3 W/(m·K)) powoduje niedopuszczalne temperatury złączy w konstrukcjach zasilania o dużej gęstości. Płytki PCB z rdzeniem metalowym (MCPCB) z rdzeniami aluminiowymi lub miedzianymi (przewodność cieplna 1,0–3,0 W/(m·K) dla warstwy dielektrycznej plus rdzeń metalowy) są standardem w oświetleniu LED, napędach silników i płytkach przetwornic DC-DC o znacznych wymaganiach w zakresie rozpraszania ciepła.
• Elastyczne obwody: FR4 jest sztywny. W elastycznych i sztywnych płytkach drukowanych zastosowano podłoże poliimidowe (Kapton), które zapewnia porównywalną izolację elektryczną, znacznie większą elastyczność i szerszy zakres temperatur (ciągła temperatura od -200°C do 300°C).
• Wysokie temperatury pracy powyżej 130°C w trybie ciągłym: Standardowy FR4 Tg ogranicza ciągłą temperaturę roboczą znacznie poniżej wartości Tg. Do ciągłej pracy w wysokiej temperaturze wymagane są laminaty poliimidowe, podłoża ceramiczne lub laminaty specjalistyczne o wysokiej Tg.

Czytanie arkusza danych materiału FR4: co należy sprawdzić

An Karta danych materiału FR4 od producenta laminatu (Isola, Shengyi, Kingboard, Nan Ya, Ventec, Panasonic) zazwyczaj podaje listę właściwości w kilku warunkach pomiaru. Poniżej znajdują się wartości, których inżynierowie najczęściej potrzebują i na co należy zwrócić uwagę przy porównywaniu produktów.

• Częstotliwość pomiaru Dk i Df: zawsze sprawdzaj, z jaką częstotliwością podawana jest stała dielektryczna. Wartości Dk wynoszące 4,5 przy 1 MHz i 4,1 przy 1 GHz na tym samym materiale są prawidłowe — opisują różne warunki. W przypadku pracy nad integralnością sygnału należy zastosować wartość przy częstotliwości projektowej lub najwyższej harmonicznej roboczej.
• Metoda pomiaru Tg: Tg można zmierzyć za pomocą DSC (różnicowej kalorymetrii skaningowej), DMA (dynamicznej analizy mechanicznej) lub TMA (analizy termomechanicznej), które dają różne wyniki liczbowe dla tego samego materiału. DSC zazwyczaj daje najniższy odczyt; DMA daje najwięcej. IPC-4101 określa metodę testowania dla każdego arkusza ukośnego, dlatego należy porównywać tylko w ramach tej samej metody.
• Kierunek pomiaru przewodności cieplnej: przewodność cieplna w płaszczyźnie FR4 jest wyższa niż grubość. Do obliczeń rozprzestrzeniania się ciepła użyj wartości grubości w poprzek (kierunek Z); w przypadku projektów z przewodzeniem krawędziowym należy użyć wartości w płaszczyźnie.
• Zgodność z arkuszem ukośnym IPC-4101: numer arkusza z ukośnikiem informuje o minimalnej klasie wydajności, jaką spełnia laminat. /21 to standardowy komercyjny FR4; /24 to wyższa Tg; /26 nie zawiera halogenów o wysokiej Tg. Określenie arkusza ukośnego zamiast samego „FR4” zapobiega zastąpieniu materiałów niższej jakości bez Twojej wiedzy.
• Odporność na CAF: Odporność na przewodzące włókno anodowe (CAF) — odporność na elektrochemiczny wzrost włókien miedzianych wzdłuż granicy faz włókna szklanego z żywicą pod wpływem napięcia wstępnego w wilgotnych warunkach — jest coraz częściej określana w projektach motoryzacyjnych i konstrukcjach o wysokiej niezawodności. Nie wszystkie arkusze danych FR4 zawierają dane CAF; należy o to wyraźnie poprosić podczas projektowania dla środowisk o wysokiej wilgotności lub wysokim napięciu.