FR4:Когда вы можете его использовать, а когда нет

<сильный>

Перейти к:

Что такое материал подложки FR4?

Как FR-4 используется в печатных платах?

Как выбрать толщину FR4

Когда использовать FR4

Управление температурой

Делаем выбор:FR4 или высокочастотный ламинат

Большинство инженеров-электриков и специалистов, работающих с печатными платами, знакомы с материалом FR4. FR4 — это основной материал, на котором построены самые жесткие печатные платы. Однако многие не знают, что такое FR4, не говоря уже о том, почему это самая популярная основа для печатных плат.

Читайте дальше, чтобы узнать больше о печатных платах FR4, узнать, что они из себя представляют, почему они так популярны и как спецификации печатных плат FR4 сравниваются с другими вариантами в отрасли.

Что такое материал подложки FR4? <сильный>

FR4, также пишется как FR-4, является одновременно и названием, и стандартным рейтингом. Название применяется к армированным стекловолокном ламинированным листам с эпоксидной смолой, используемым в производстве печатных плат. Тем не менее, это название также используется в качестве класса, используемого для оценки листов эпоксидного ламината. Обозначение, по сути, указывает на базовое качество листа ламината, что означает, что различные листовые материалы и конструкции попадают под рейтинг FR4. «FR» в названии означает огнестойкий, а цифра 4 отличает материал от других материалов того же класса.

Материал, широко известный как FR4, представляет собой композитную структуру. Самый основной слой материала представляет собой стекловолокно, сплетенное в тонкий, похожий на ткань лист. Стекловолокно придает FR4 необходимую структурную стабильность. Этот самый внутренний слой стекловолокна затем окружается и связывается огнестойкой эпоксидной смолой. Эта смола придает материалу жесткость, помимо других его физических свойств.

Листы FR4 широко популярны среди инженеров-электриков и дизайнеров в качестве основного материала для печатных плат. Низкая стоимость и универсальность материала, а также множество полезных физических свойств объясняют его популярность. Листы FR4 представляют собой электрические изоляторы с высокой диэлектрической прочностью. Они также отличаются высоким соотношением прочности и веса, легкими и устойчивыми к влаге. Добавьте к этому их относительную термостойкость, и вы поймете, что материал FR4 хорошо работает в большинстве условий окружающей среды.

Запросить бесплатное предложение

Как FR-4 используется в печатных платах?

Эти качества делают FR4 идеальным материалом подложки по умолчанию для качественных процессов производства печатных плат. При правильном использовании эти свойства также могут стать основой для создания высококачественных и недорогих печатных плат.

Внутри печатной платы FR4 образует основную изолирующую основу. Это основа, на которой компания-производитель строит схему. После подготовки плата FR4 ламинируется одним или несколькими слоями медной фольги с использованием тепла и клея. Эта медь образует цепи в готовом изделии и может покрывать одну или обе стороны, в зависимости от конструкции платы.

Сложные печатные платы могут использовать более одной стороны или даже наслоить печатную плату для создания более сложных схем. Отсюда схемы вычерчиваются и вытравливаются, прежде чем покрываться слоем паяльной маски, подготавливая плату к окончательному слою шелкографии и последующему процессу пайки.

Как выбрать толщину FR4

При заказе ламинированной плиты для проекта печатной платы дизайнер или инженер-электрик должны указать толщину FR4. Это измеряется в единицах на основе дюймов, таких как тысячная доля дюйма, тысяча или миллиметры, в зависимости от того, что наиболее подходит для настройки. Толщина листа FR4 варьируется в широких пределах в зависимости от потребностей проекта, но, как правило, составляет от десяти тысяч до трех дюймов.

Хотя может показаться, что толщина платы не является существенным фактором при проектировании печатной платы, на самом деле это важная характеристика. Толщина платы влияет на несколько аспектов функциональности платы, поэтому при определении толщины платы для проектирования учитываются несколько факторов. К ним относятся следующие.

1. Космос:чем тоньше, тем лучше

Если для дизайнера важно свободное пространство, предпочтительнее использовать более тонкую плату FR4. Это преобладающий фактор для производства небольших устройств, таких как разъемы USB и многие аксессуары Bluetooth. Даже для более крупных проектов предпочтительнее использовать меньшие печатные платы FR4, чтобы сэкономить место внутри устройства.

2. Соединения:неправильный выбор может привести к повреждению

Двусторонняя конструкция печатной платы требует краевого соединителя для соединения двух сторон. Это может быть основным ограничивающим фактором для окончательного размера печатной платы, поскольку краевые соединители для печатных плат подходят только для определенного набора толщин печатных плат. Ответная часть разъема должна плотно прилегать к боковой стороне печатной платы, иначе существует риск соскальзывания или повреждения печатной платы. Это одна из основных причин, по которой проектирование схемы предшествует выбору материалов для схемы.

3. Соответствие импеданса:необходимо для поддержания работоспособности платы

Каждая многослойная плата действует как конденсатор для соседних слоев. Вот почему так важна толщина этой платы — толщина материала печатной платы FR4 определяет толщину диэлектрика, который, в свою очередь, влияет на значение емкости.

Это особенно важный фактор для некоторых высокочастотных печатных плат, таких как радиочастотные и микроволновые конструкции. В высокочастотных конструкциях основное внимание уделяется согласованию импеданса как важному компоненту для поддержания оптимальной работы платы, поэтому крайне важно получить правильную емкость для каждого слоя.

4. Гибкость:зависит от приложения

Более тонкие доски могут немного гнуться. Несмотря на то, что это необычная черта, гибкость может быть как положительной, так и отрицательной чертой, в зависимости от приложения.

Более гибкие плиты, как правило, предпочтительнее в некоторых случаях, когда продукт подвергается постоянным нагрузкам или изгибам. Например, те, кто использует платы для медицинских и автомобильных приложений, часто предпочитают гибкие платы из-за постоянных нагрузок и изгибов, которым часто подвергаются эти печатные платы.

Однако гибкость может нанести ущерб процессу изготовления печатной платы, что приведет к серьезным проблемам на более позднем этапе сборки. При работе с машиной более гибкая плата может изгибаться при работе с паяльной машиной, в результате чего компонент припаивается под углом. Кроме того, такое изгибание может привести к поломке только что размещенных компонентов и соединений, уже установленных на плате.

5. Требования к конструкции:использование по назначению влияет на толщину FR4

Тонкие платы предпочтительны не во всех случаях, в первую очередь из-за ограничений, налагаемых тонкими платами на планы печатных плат. Тонкие доски FR4 не могут иметь канавок, и они не могут быть слишком большими, не рискуя сломаться. Однако более толстые доски могут выполнять и то, и другое. Всегда учитывайте это при взвешивании вариантов толщины FR4.

6. Совместимость компонентов:может работать с небольшим диапазоном

Толщина платы также может влиять на совместимость компонентов с платой. Как и краевые соединители, многие компоненты работают с небольшим диапазоном толщины платы. Это особенно верно, например, для некоторых сквозных компонентов.

7. Вес:более легкие товары могут быть более привлекательными

Логично, что толщина FR4 повлияет на вес конечной печатной платы. Хотя в некоторых приложениях вес не так важен, в потребительской электронике он часто имеет значение. Более легкие печатные платы делают продукты более легкими, что удешевляет их доставку и, в некоторых случаях, делает их более привлекательными для потребителей.

Когда использовать FR4

Многие приложения для электроники предпочитают использовать плату FR4 на основе эпоксидной смолы. Их прочность, надежность и относительно низкая стоимость делают эпоксидные подложки FR4 логичным выбором по умолчанию для инженеров-электронщиков. Однако FR4 не идеален для всех ситуаций, особенно для высокочастотных конструкций. Для таких дизайнов обычно используются высокочастотные ламинаты.

Выбор между этими материалами может быть трудным, поэтому мы приводим более подробные рекомендации ниже.

Пытаясь решить, собирать ли печатную плату из FR-4 или из высокочастотного ламината, учитывайте следующие ключевые особенности каждого из них.

Стоимость:FR4 будет дешевле

Материал FR4 является очень распространенной основой для печатных плат, в первую очередь из-за его относительно низкой стоимости. С другой стороны, высокочастотные ламинаты значительно дороже по цене, что является существенным недостатком для разработчиков и производителей, заботящихся о цене. Это основной ограничивающий фактор для компаний при выборе между FR4 и высокочастотными ламинатами.

Узнайте цену и время выполнения заказа

Потеря сигнала:чем меньше Df, тем меньше потеря сигнала

Потеря сигнала во многих случаях является критической частью конструкции печатной платы, особенно в высокочастотных ситуациях, когда потеря сигнала представляет большую проблему. Для этих конструкций FR4 не является идеальным выбором — FR4 имеет более высокий Df, или коэффициент рассеяния, чем высокочастотные ламинаты. Это означает, что в цепях FR4 потери сигнала будут больше, чем в идентичной схеме на высокочастотном ламинате.

Df FR4 составляет около 0,020, в то время как Df большинства высокочастотных ламинатов составляет около 0,004, что составляет четверть от Df FR4. Чем ниже Df, тем меньше общие потери сигнала. Другая проблема заключается в том, что Df FR4 увеличивается по мере увеличения частоты сигнала, а это означает, что по мере увеличения частоты сигнала происходит больше потерь сигнала. Поскольку высокочастотные ламинаты имеют более стабильные характеристики Df, они испытывают меньшие потери на более высоких частотах.

Стабильность импеданса:важна стабильность Dk

Стабильный импеданс — еще один важный фактор для многих конструкций, поскольку он часто означает более предсказуемые характеристики, особенно для больших схем или высокочастотных конструкций. Опять же, в этой области FR4 и высокочастотные ламинаты дают разные результаты. Поддержание стабильного импеданса требует, чтобы материал сохранял стабильный Dk, или диэлектрическую проницаемость, по всему материалу при изменении температуры материала.

В связи с этим FR4 не является подходящим материалом для поддержания стабильного импеданса, так как его значение Dk сильно варьируется в пределах одной платы и при изменении температуры платы. У высокочастотных ламинатов значения Dk не варьируются так широко, оставаясь практически постоянными по всей площади платы при изменении температуры.

Управление температурой:

Температурные характеристики — еще один фактор, который следует учитывать при выборе между платой FR4 или высокочастотным ламинатом для основы печатной платы. При сравнении температурных характеристик тепловой коэффициент диэлектрической проницаемости обеспечивает достойный показатель. Это число показывает, насколько диэлектрическая проницаемость материала изменяется в зависимости от температуры:

• Для FR4 это значение составляет около 200 частей на миллион на градус Цельсия при изменении температуры.
• Высокочастотные ламинаты имеют тепловой коэффициент диэлектрической проницаемости около 40 частей на миллион на градус Цельсия.

Хотя оба могут показаться небольшими числами, они дают совершенно разные результаты. Значительный коэффициент FR4 означает, что Dk доски FR4 может значительно различаться по площади. Для сравнения, более низкий коэффициент для высокочастотных ламинатов указывает на меньшее изменение температуры по площади платы. Это особенно важно учитывать при разработке плат, предназначенных для более жарких условий.

Диэлектрическая постоянная:выберите правильное значение Dk

Иногда диэлектрическая проницаемость печатной платы может быть столь же важной, как и любая другая характеристика платы. Диэлектрическая проницаемость печатной платы влияет на размер линий передачи цепи, особенно в высокочастотных цепях, таких как радиочастотные или микроволновые схемы. Чем меньше могут быть линии передачи, тем меньше сама цепь.

Следовательно, если желателен меньший размер печатной платы, лучшим выбором будет материал платы с более высоким значением Dk. FR4 имеет диэлектрическую проницаемость около 4,5, что ниже, чем у высокочастотных материалов Dk, которое обычно составляет от 6,15 до 11. Использование этих материалов с высоким значением Dk может дать значительные результаты, уменьшая размер 25 или более процентов. окончательная печатная плата.

Операционная среда:

Операционная среда для схемы — это еще один момент, который следует учитывать при выборе между FR4 и высокочастотной многослойной платой. Это включает в себя условия окружающей среды, такие как влажность и температура. В обоих случаях высокочастотные ламинаты обеспечивают большую влаго- и термостойкость, чем FR4, а это означает, что условия эксплуатации будут оказывать значительно меньшее влияние на работу схемы. Это критически важно, если печатная плата будет работать на открытом воздухе или в экстремальных промышленных условиях.

Короче говоря, высокочастотные ламинаты обладают широким спектром физических характеристик, многие из которых превосходят FR4. Единственным недостатком высокочастотных ламинатов по сравнению с FR4 является относительно более высокая стоимость, что является важным фактором для дизайнеров, ориентированных на затраты. Таким образом, большое решение принимается, когда преимущества перевешивают затраты на высокочастотные ламинаты.

Выбор:FR4 или высокочастотный ламинат

Итак, используя всю вышеперечисленную информацию, как инженер-электрик или проектировщик печатных плат может выбрать между FR4 и высокочастотным ламинатом? Во-первых, разработчик должен составить список и сравнить электрические и механические требования к окончательной печатной плате, используя как можно более конкретные параметры. Затем разработчик должен проверить, насколько хорошо FR4 будет соответствовать этим параметрам по сравнению с ламинатом, предназначенным для работы с высокочастотными сигналами. Более точные данные по каждому из вышеперечисленных пунктов легко доступны в отраслевых таблицах данных.

Короче говоря, FR4 является широко распространенным материалом, популярным в основном из-за его низкой стоимости и относительной механической и электрической стабильности. Хотя материал FR4 имеет множество преимуществ и доступен в различных толщинах и размерах, он не является лучшим выбором для каждого приложения, особенно для высокочастотных приложений, таких как радиочастотные и микроволновые конструкции. В этих последних случаях лучшим выбором будет высокочастотный ламинат. Тем не менее, легко понять, почему FR4 до сих пор так широко используется.

Свяжитесь с Millennium Circuits Limited, чтобы узнать, что соответствует вашим потребностям

Если вам нужны печатные платы FR4 или платы из любого другого материала, вам может помочь компания Millennium Circuits Limited. MCL поставляет высококачественные платы и схемы в любом количестве, сохраняя при этом высочайшее качество и своевременную доставку. С 2005 года наш бизнес в Гаррисберге, штат Пенсильвания, гордится предоставлением высококачественных услуг, соответствующих самым высоким международным стандартам. Мы даже предлагаем техническую поддержку и конкурентоспособные цены.

Узнайте, почему MCL оценивает качество на уровне 98 % и эффективность доставки на уровне 99 %. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы быстро и без каких-либо обязательств узнать, как MCL может вам помочь.

Запросить бесплатное предложение