Материал печатной платы FR4: свойства, диэлектрическая проницаемость, КТР и руководство по техническим характеристикам

Что такое FR4? Определение и положение в отрасли

FR4, также называемый FR-4, является наиболее широко используемым базовым материалом для печатных плат во всем мире. Обозначение означает Огнестойкий тип 4 , классификация, определенная Национальной ассоциацией производителей электрооборудования (NEMA) в соответствии со стандартом LI 1. Он предусматривает армирование тканой стекловолоконной тканью, заделанной в матрицу эпоксидной смолы, с огнезащитной системой на основе брома или фосфора, включенной в смолу, чтобы соответствовать требованиям воспламеняемости УЛ 94 В-0.

FR4 был доминирующим Материал печатной платы с 1970-х годов, вытеснив более ранние ламинаты фенольной бумаги (FR1, FR2) и композиты из хлопка и стекла (FR3) практически во всех основных приложениях электроники. Его сочетание электроизоляционных характеристик, механической прочности, стабильности размеров, влагостойкости и технологичности при конкурентоспособной цене остается непревзойденным ни одним альтернативным материалом в сопоставимых ценовых категориях. По оценкам 90% или более всех жестких печатных плат производимые во всем мире, используют в качестве субстрата FR4 или его производный состав.

Термин «FR4» технически относится к ламинированному материалу — диэлектрической основе, а не к готовой плате. Ан Печатная плата FR4 доска или Печатная плата FR4 представляет собой законченную плату, в которой подложкой является ламинат FR4, слои медной фольги прикреплены к одной или обеим поверхностям, а проводящие дорожки, площадки и переходные отверстия формируются посредством процессов травления и сверления.

Свойства материала FR4: полный технический профиль

Свойства материала FR4 в некоторой степени различаются в зависимости от производителя и конкретного состава, но приведенные ниже значения представляют собой установленный стандартный диапазон для ламината FR4 общего назначения, как указано в листах IPC-4101 /21 и /24 (наиболее распространенные коммерческие марки). Инженеры-проектировщики, ссылающиеся на Спецификация материала FR4 следует рассматривать значения, указанные производителем, как авторитетные для любого конкретного продукта, но приведенные ниже цифры являются надежными для предварительных проектных расчетов.

Диэлектрические свойства

диэлектрическая проницаемость FR4 — также называемая относительной диэлектрической проницаемостью (Dk или εr) — является одним из наиболее часто используемых параметров при проектировании печатных плат. Он определяет скорость распространения сигнала и импеданс трасс с контролируемым импедансом. Стандарт FR4 имеет диэлектрическая проницаемость примерно 4,2–4,6. измеряется на частоте 1 МГц, обычно обозначаемой как 4,3 или 4,4 для справки о конструкции. На более высоких частотах (1 ГГц) относительная диэлектрическая проницаемость FR4 обычно падает до диапазона 4,0–4,2 из-за частотной дисперсии в композите эпоксидное стекло.

Эта частотная зависимость является критическим ограничением стандарта FR4 в высокоскоростных цифровых и радиочастотных конструкциях. Выше примерно 1–2 ГГц изменение относительная диэлектрическая проницаемость FR4 с частотой становится достаточно значительным, чтобы вызвать проблемы с целостностью сигнала — изменение задержки распространения, перекос дифференциальной пары и отклонение импеданса от номинального. Варианты FR4 с низкими потерями и специально разработанные высокочастотные ламинаты (Rogers, Isola, Taconic) решают эту проблему за более высокую цену.

dissipation factor (Df, loss tangent) of standard FR4 is 0,017–0,025 на частоте 1 МГц , возрастающая с частотой. Для сравнения, Rogers RO4003C имеет Df 0,0027 — примерно на порядок ниже — поэтому стандартный диэлектрик FR4 материал не используется в микроволновых или миллиметровых волнах.

Механические свойства

FR4 — твердый, жесткий ламинат с хорошей прочностью на изгиб:

• Прочность на изгиб (вдоль): 415–550 МПа
• Предел прочности: 310–410 МПа (вдоль)
• Модуль Юнга (в плоскости): примерно 18–24 ГПа
• Прочность на сжатие: 415 МПа (перпендикулярно ламинату)
• Твердость по Роквеллу (шкала М): 110

se values make FR4 substantially stronger than thermoplastic PCB substrates and sufficiently rigid for automated PCB assembly processes including pick-and-place, wave soldering, and reflow without requiring fixture support for standard board thicknesses (1.0–3.2 mm).

rmal Properties

rmal performance is the most commonly cited limitation of FR4 in power electronics and high-dissipation applications:

• rmal conductivity of FR4: 0,25–0,35 Вт/(м·К) в плоскости; приблизительно 0,3 Вт/(м·К) перпендикулярно ламинату. Это очень мало по сравнению с алюминием (205 Вт/(м·К)) или медью (385 Вт/(м·К)), поэтому в конструкциях с высокими термическими требованиями используются тепловые переходные отверстия, медные заливки и подложки печатных плат с металлическим сердечником.
• Температура стеклования (Tg): Стандарт ФР4 — 130–140°С; средняя Tg FR4 — 150–160°С; высокая Tg FR4 — 170–180°С. Выше Tg эпоксидная матрица размягчается и материал теряет стабильность размеров. Пик процесса бессвинцовой пайки приходится на 260°C, поэтому для сборок, соответствующих требованиям RoHS, рекомендуется использовать FR4 с высоким Tg.
• Температура разложения (Td): 300–340°С для стандартных марок; выше 340°C для высоконадежных безгалогенных составов.
• Удельная теплоемкость: примерно 1,0–1,1 Дж/(г·К)

Коэффициент теплового расширения (КТР FR4)

КТР FR4 анизотропен - он значительно различается между направлениями в плоскости (xy) и вне плоскости (ось z):

• КТР x-y (в плоскости): 14–17 частей на миллион/°C (ниже Tg)
• КТР по оси Z (по толщине): 50–70 частей на миллион/°C (ниже Tg); 200–300 ppm/°C выше Tg

high z-axis CTE is the principal cause of barrel cracking in plated through-holes (PTH) during thermal cycling. The z-axis expansion stresses the copper barrel of the via, which has a CTE of only 17 ppm/°C, creating fatigue cracks at the knee radius after repeated thermal excursions. This is a design-life concern in high-cycle environments such as automotive and industrial electronics, and it drives the specification of high-Tg or halogen-free FR4 variants with lower z-axis CTE.

Физические свойства

• Плотность материала FR4: 1,85–1,95 г/см³ (обычно указывается как 1,9 г/см³ для стандартной стеклоэпоксидной смолы FR4). плотность материала FR4 в первую очередь определяется объемной долей стекловолокна и системой смол. Более высокое содержание стекла увеличивает плотность; безгалогенные смолы с разным содержанием наполнителей могут незначительно менять плотность.
• Водопоглощение (24-часовое погружение): 0,10–0,20 % по массе — достаточно мало для поддержания характеристик электроизоляции в большинстве рабочих сред.
• Объемное сопротивление: 10⁸–10¹⁰ МОм·см
• Поверхностное сопротивление: 10⁴–10⁶ МОм
• Диэлектрическая прочность на пробой: 20–50 кВ/мм (перпендикулярно ламинату)
• Класс воспламеняемости: УЛ 94 В-0

Что такое печатная плата Планировка и влияние свойств FR4 на проектные решения

печатная плата layout — это процесс размещения электронных компонентов и трассировки медных дорожек, плоскостей и переходных отверстий, которые электрически соединяют их на печатной плате. Компоновка выполняется с использованием программного обеспечения EDA (Electronic Design Automation) после создания схемы и является этапом, на котором физические характеристики материала подложки, включая диэлектрическую проницаемость FR4, теплопроводность и КТР, напрямую влияют на выбор конструкции.

four FR4 properties most directly relevant to PCB layout decisions are:

• Диэлектрическая проницаемость (Дк): определяет импеданс микрополосковых и полосковых дорожек. Микрополосковая дорожка сопротивлением 50 Ом на стандартном FR4 (Dk ≈ 4,3) требует иного расчета ширины, чем та же дорожка на Rogers RO4003C (Dk = 3,55). Калькуляторы импеданса должны использовать правильное значение Dk для конкретного указанного ламината FR4, а не общее значение.
• rmal conductivity: низкая теплопроводность (0,3 Вт/(м·К)) означает, что тепло, выделяемое компонентами, плохо распространяется по плате. Компоновка должна компенсировать это за счет теплового разгрузки, медных заливок, соединенных с заземляющими пластинами, и массивов тепловых переходов под компонентами с высоким рассеиванием, такими как силовые МОП-транзисторы, стабилизаторы и ВЧ-усилители мощности.
• Несоответствие CTE: КТР в плоскости ~ 14–17 ppm/°C близок, но не идентичен КТР многих корпусов ИС (кремниевый: ~ 2,6 ppm/°C; керамический: ~ 6–7 ppm/°C; пакеты BGA, соответствующие FR4: ~ 14–16 ppm/°C). Для компонентов со значительным несоответствием КТР стандартными методами компоновки являются применение недостаточного заполнения, испытание на термический цикл в соответствии с IPC-9701 и размещение компонентов вдали от точек напряжения на плате (углы, монтажные отверстия).
• Тангенс потерь: затухание сигнала в FR4 резко возрастает с частотой из-за относительно высокого Df. Для дифференциальных пар, передающих сигналы со скоростью выше 2–3 Гбит/с, минимизация длины трассы, минимизация переходов между слоями и рассмотрение вариантов FR4 с низкими потерями являются стратегиями снижения уровня компоновки перед переходом на совершенно другой материал подложки.

Варианты FR4: стандартные, с высоким Tg, безгалогеновые и сравнение FR1

Не все Материал печатной платы FR4 эквивалентно. Базовое обозначение охватывает семейство составов с существенно разными профилями эффективности в зависимости от смоляной системы и химического состава наполнителя.

Стандартный FR4 (Tg 130–140°C)

baseline formulation, adequate for consumer electronics, general industrial, and telecom applications processed with tin-lead solder (peak reflow ~220°C). Not recommended for lead-free reflow without confirmation that the specific laminate product is rated for 260°C peak process temperatures.

Высокая Tg FR4 (Tg 170–180°C)

В состав входят модифицированная эпоксидная смола (часто многофункциональная смесь эпоксидных смол или цианатных эфиров), которая повышает Tg до 170–180°C. Это обеспечивает больший тепловой запас для бессвинцовой обработки, снижает КТР по оси Z и повышает устойчивость к расслоению в многослойных платах с высокой плотностью сквозных отверстий. High-Tg FR4 является стандартной спецификацией для автомобильных, промышленных, серверных и военных приложений.

Безгалогеновый FR4

В традиционном FR4 используются антипирены на основе брома (тетрабромбисфенол А, TBBPA), которые при горении выделяют токсичный газообразный бромистый водород. Безгалогеновые варианты заменяют их огнезащитными системами на основе фосфора-азота или тригидроксида алюминия (ATH). Безгалогеновый FR4 имеет более низкую Dk (обычно 3,8–4,2) и немного другие механические свойства, чем бромированные эквиваленты. Это все чаще требуется в европейской бытовой электронике в рамках RoHS и REACH, а также в некоторых цепочках поставок автомобилей.

Материал печатной платы FR1 по сравнению с FR4

печатная плата FR1 представляет собой ламинат фенольной бумаги — бумажную подложку, пропитанную фенольной смолой, а не композит стекловолокна и эпоксидной смолы. Он значительно дешевле, чем FR4, чисто пробивает, а не сверлит, и используется в простых односторонних печатных платах для чувствительных к стоимости приложений, таких как пульты дистанционного управления, игрушечная электроника и простые платы питания. FR1 имеет значительно худшую электрическую изоляцию, влагостойкость и механическую прочность по сравнению с FR4. монтажная плата материал и не подходит для многослойных конструкций, размещения компонентов с малым шагом или любого применения, требующего надежности при термоциклировании или воздействии влажности.

Когда FR4 — неподходящий материал для печатной платы

Несмотря на свое доминирование, печатная плата FR4 material имеет четко определенные границы применения. Понимание недостатков помогает инженерам сделать правильный выбор подложки с самого начала, а не обнаруживать ограничения во время тестирования.

• ВЧ и СВЧ (выше 1–2 ГГц): Частотно-зависимая Dk и высокая Df FR4 делают его непригодным для микрополосковых антенн, входных каскадов радаров и сетей радиочастотного согласования на частотах выше низких ГГц. Вместо них используются ламинаты на основе ПТФЭ (Rogers, Taconic), углеводородные ламинаты с керамическим наполнителем (серия Rogers RO4000) и модифицированные эпоксидные материалы с низкими потерями.
• Мощные светодиоды и силовая электроника: Низкая теплопроводность FR4 (0,3 Вт/(м·К)) приводит к неприемлемой температуре перехода в конструкциях с высокой плотностью мощности. Печатные платы с металлическим сердечником (MCPCB) с алюминиевыми или медными сердечниками (теплопроводность 1,0–3,0 Вт/(м·К) для диэлектрического слоя плюс металлический сердечник) являются стандартными для светодиодного освещения, приводов двигателей и плат преобразователей постоянного тока со значительными требованиями к рассеянию тепла.
• Гибкие схемы: FR4 жесткий. В гибких и жестко-гибких печатных платах используется полиимидная (каптоновая) подложка, которая обеспечивает сопоставимую электрическую изоляцию, гораздо большую гибкость и более широкий температурный диапазон (от -200°C до 300°C в непрерывном режиме).
• Высокие рабочие температуры выше 130°C продолжительно: Стандарт FR4 Tg ограничивает постоянную рабочую температуру значительно ниже значения Tg. Для непрерывной работы при высоких температурах необходимы полиимидные ламинаты, керамические подложки или специальные ламинаты с высокой Tg.

Чтение спецификации материала FR4: что проверить

Ан Спецификация материала FR4 от производителя ламината (Isola, Shengyi, Kingboard, Nan Ya, Ventec, Panasonic) обычно перечисляет свойства в нескольких условиях измерения. Ниже приведены значения, которые чаще всего нужны инженерам, и на что следует обращать внимание при сравнении продуктов.

• Частота измерения Dk и Df: всегда проверяйте, на какой частоте сообщается диэлектрическая проницаемость. Dk 4,5 на частоте 1 МГц и 4,1 на частоте 1 ГГц для одного и того же материала являются правильными — они описывают разные условия. Для проверки целостности сигнала используйте значение расчетной частоты или самой высокой рабочей гармоники.
• Метод измерения ТГ: Tg можно измерить с помощью ДСК (Дифференциальная сканирующая калориметрия), ДМА (динамический механический анализ) или ТМА (термомеханический анализ), которые дают разные численные результаты для одного и того же материала. ДСК обычно дает самые низкие показания; DMA дает самый высокий. IPC-4101 определяет метод тестирования для каждого разделительного листа, поэтому сравнивайте только в рамках одного и того же метода.
• rmal conductivity measurement direction: Плоскостная теплопроводность FR4 выше, чем по толщине. Для расчета распространения тепла используйте значение сквозной толщины (направление Z); для конструкций с торцевой проводимостью используйте значение в плоскости.
• Соответствие косой черте IPC-4101: номер листа с косой чертой указывает минимальный класс производительности, которому соответствует ламинат. /21 — стандартный коммерческий FR4; /24 – выше Тс; /26 не содержит галогенов с высоким Tg. Указание косой черты, а не просто «FR4», предотвращает замену на материалы более низкого качества без вашего ведома.
• Сопротивление CAF: Сопротивление проводящей анодной нити (CAF) — способность противостоять электрохимическому росту медных нитей вдоль границы раздела стекловолокно-смола под напряжением смещения во влажных условиях — все чаще используется в автомобильных и высоконадежных конструкциях. Не все таблицы данных FR4 включают данные CAF; явно запросите его при проектировании для сред с высокой влажностью или высоким напряжением.