FR4 подробно: идеальные применения и ограничения для дизайна PCB

Быстрый переход:

Что такое материал подложки FR4?

Как FR-4 используется в PCB?

Как выбрать толщину FR4

Когда использовать FR4

Термическое управление

Выбор: FR4 vs высокочастотный ламинат

Большинство электроинженеров и лиц, связанных с печатными платами, знакомы с материалом FR4. FR4 — основной материал, на котором построены большинство жестких печатных плат. Однако многие не знают, что такое FR4, не говоря уже о том, почему это самый популярный базовый материал PCB.

Читайте дальше, чтобы узнать больше о печатных платах FR4: что они, почему так популярны и как спецификации FR4 PCB сравниваются с другими опциями в отрасли.

Что такое материал подложки FR4? 

FR4, также пишется как FR-4, — это и название, и стандартный рейтинг. Название применяется к стекловолокнисто-эпоксидным ламинированным листам, используемым в производстве печатных плат. Однако название также функционирует как класс для рейтинга эпоксидных ламинированных листов. Обозначение по сути указывает базовое качество ламинатного листа, означая, что множество материалов и дизайнов листов попадают под рейтинг FR4. «FR» в названии означает flame retardant (огнестойкий), а 4 дифференцирует материал от других того же класса.

Материал, широко называемый FR4, — композитная структура. Базовый слой — стекловолокно, сплетенное в тонкую ткань. Стекловолокно дает FR4 необходимую структурную стабильность. Этот внутренний слой стекловолокна затем окружается и связывается огнестойкой эпоксидной смолой. Эта смола дает материалу жесткость, среди других физических свойств.

Листы FR4 широко популярны среди электроинженеров и дизайнеров как базовый материал PCB. Низкая стоимость и универсальность материала, а также его множество полезных физических свойств объясняют эту популярность. Листы FR4 — электрические изоляторы с высокой диэлектрической прочностью. Они также обладают высоким соотношением прочность/вес, легки и устойчивы к влаге. Добавьте к этому их относительную термостойкость, и материал FR4 может хорошо работать в большинстве экологических условий.

Запросить бесплатный расчет

 

Как FR-4 используется в PCB?

Эти качества делают FR4 идеальным материалом подложки по умолчанию для качественных процессов производства PCB. При правильном использовании эти свойства также могут формировать основы высококачественных и низкозатратных PCB.

Внутри PCB, FR4 формирует основной изоляционный каркас. Это база, на которой производственная компания строит цепь. После подготовки, FR4 плата ламинируется с одним или несколькими слоями медной фольги с использованием тепла и клея. Эта медь формирует цепи в готовом продукте и может покрывать одну или обе стороны, в зависимости от дизайна платы.

Сложные PCB могут использовать более одной стороны или даже слоировать печатную плату для производства более сложных цепей. Отсюда цепи рисуются и травится перед покрытием слоем паяной маски, готовя плату для финального шелкографического слоя и последующего процесса пайки.

Как выбрать толщину FR4

При заказе ламинатной платы для проекта PCB, дизайнер или электроинженер должен специфицировать толщину FR4. Это измеряется в дюймовых единицах, таких как тысячная дюйма (thou или mil), или миллиметрах, в зависимости от того, что наиболее уместно для контекста. Толщина листа FR4 варьируется широко в зависимости от потребностей проекта, но склоняется в диапазоне от десяти thou до трех дюймов.

Хотя толщина платы может не казаться значительным фактором в дизайне PCB, в реальности это существенная особенность. Толщина платы влияет на несколько аспектов функциональности платы, поэтому несколько факторов рассматриваются при определении толщины платы для дизайна. Включают следующее.

1. Пространство: тоньше может быть лучше

Если пространство беспокоит дизайнера, более тонкая FR4 плата склоняется к предпочтительности. Это преобладающий фактор для производства меньших устройств, как USB разъемы и многие Bluetooth аксессуары. Даже для более крупных проектов, меньшие FR4 PCB склоняются к предпочтению для экономии места в устройстве.

2. Соединения: неверное может привести к повреждению

Двухсторонний дизайн PCB требует краевой разъем для соединения двух сторон. Это может быть главным ограничивающим фактором для конечного размера PCB, так как крайние разъемы PCB подходят только для конкретного набора толщин PCB. Соединяющая часть разъема должна плотно сидеть на стороне PCB, иначе риск проскальзывания или повреждения PCB. Это одна из главных причин, почему дизайн схемы предшествует выбору материалов для схемы.

3. Согласование импеданса: необходимо для поддержания функции платы

Каждая многослойная плата действует как конденсатор на соседних слоях. Поэтому толщина этой платы так важна — толщина материала PCB FR4 определяет толщину диэлектрика, что в свою очередь влияет на значение емкости.

Это особенно ключевой фактор для некоторых высокочастотных PCB, таких как RF и микроволновые дизайны. Высокочастотные дизайны фокусируются на согласовании импеданса как необходимом компоненте для поддержания оптимальной функции платы, поэтому получение правильной емкости для каждого слоя критично.

4. Гибкость: зависит от приложения

Тонкие платы могут гибнуться в некоторой степени. Хотя необычная черта, гибкость может быть позитивной или негативной особенностью, в зависимости от приложения.

Более гибкие платы склоняются к предпочтению в некоторых приложениях, где продукт регулярно напряжен или изгибается. Например, те, кто использует платы для медицинских и автомобильных приложений, часто предпочитают гибкие платы из-за постоянного напряжения и изгиба, которым эти PCB часто подвергаются.

Однако гибкость может быть вредом для производственного процесса PCB, приводя к серьезным проблемам позже в сборке. При обращении машиной, более гибкая плата может согнуться при обработке паяльной машиной, вызывая пайку компонента под углом. Кроме того, этот изгиб имеет потенциал сломать свежеразмещенные компоненты и соединения уже на плате.

5. Требования дизайна: предназначенное использование влияет на толщину FR4

Тонкие платы не предпочтительны во всех случаях, в основном из-за ограничений, которые тонкие кладут на планы PCB. Тонкие FR4 платы не могут выполнимо иметь канавки, и они не могут быть слишком большими без риска fratture. Толстые платы, однако, могут достичь обоих. Всегда учитывайте это при взвешивании опций между толщинами FR4.

6. Совместимость компонентов: может работать с малым диапазоном

Толщина платы также может влиять на совместимость компонентов с платой. Как крайние разъемы, многие компоненты работают с малым диапазоном толщин платы. Это особенно верно для некоторых отверсточных компонентов, например.

7. Вес: более легкие продукты могут быть более привлекательными

Толщина FR4 логически повлияет на вес конечной PCB. Хотя вес менее проблема в некоторых приложениях, он часто является соображением в потребительской электронике. Более легкие PCB делают более легкие продукты, что делает их дешевле для перевозки и, в некоторых случаях, более привлекательными для потребителей.

Когда использовать FR4

Многие электронные приложения выбирают использовать эпоксидную плату FR4. Их прочность, надежность и относительно низкая стоимость делают эпоксидные подложки FR4 логическим выбором по умолчанию для электроинженеров. Однако FR4 не идеален для всех ситуаций, особенно высокочастотных дизайнов. Для этих дизайнов высокочастотные ламинаты склоняются к более частому выбору.

Выбор между этими материалами может быть трудным, поэтому мы приводим более детальные руководства ниже.

Когда пытаетесь решить, строить ли PCB с FR-4 или высокочастотным ламинатом, рассмотрите следующие ключевые особенности каждого.

Стоимость: FR4 будет дешевле

Материал FR4 — очень распространенная база PCB, в основном за относительно низкую стоимость. Высокочастотные ламинаты, с другой стороны, значительно выше в цене, что существенный недостаток для дизайнеров и производителей, заботящихся о стоимости. Это основной ограничивающий фактор для компаний при выборе между FR4 и высокочастотными ламинатами.

Получить цены и сроки

Потери сигнала: более низкий Df ведет к более низким потерям сигнала

Потери сигнала, во многих случаях, критическая часть дизайна PCB, особенно в высокочастотных ситуациях, где потери сигнала — большая проблема. Для этих дизайнов FR4 не идеальный выбор — FR4 имеет более высокий Df, или фактор диссипации, чем высокочастотные ламинаты. Это означает, что цепи FR4 будут страдать большими потерями сигнала, чем идентичная цепь на высокочастотном ламинате.

Df FR4 около 0,020, пока Df большинства высокочастотных ламинатов около 0,004 — четверть Df FR4. Чем ниже Df, тем меньше общие потери сигнала. Другая проблема — Df FR4 растет с ростом частоты сигнала, значит на более высоких частотах потери сигнала больше. Поскольку высокочастотные ламинаты имеют более стабильные характеристики Df, они испытывают меньше потерь на высоких частотах.

Стабильность импеданса: стабильность Dk имеет значение

Стабильный импеданс — еще важный фактор для многих дизайнов, так как часто означает более предсказуемую производительность, особенно для более крупных схем или высокочастотных дизайнов. Снова в этой области FR4 и высокочастотные ламинаты дают разные результаты. Поддержание стабильного импеданса требует от материала стабильного Dk, или диэлектрической постоянной, по всему материалу при изменении температуры материала.

В этом отношении FR4 не подходящий материал для поддержания стабильного импеданса, так как его значение Dk сильно варьирует внутри одной платы и при изменении температуры платы. Высокочастотные ламинаты не имеют значений Dk, варьирующихся так широко, оставаясь довольно постоянными по площади платы при изменении температуры.

Термическое управление:

Термическая производительность — еще фактор при выборе между FR4 платой или высокочастотным ламинатом для базы PCB. При сравнении термической производительности, термический коэффициент диэлектрической постоянной дает приличный показатель. Это число измеряет, насколько диэлектрическая постоянная материала меняется с температурой:

• Для FR4 это значение около 200 частей на миллион на градус Цельсия изменения температуры
• Высокочастотные ламинаты имеют термический коэффициент диэлектрической постоянной около 40 частей на миллион на градус Цельсия.

Хотя оба могут казаться маленькими числами, они дают широко разные результаты. Значительный коэффициент FR4 означает, что Dk FR4 платы может значительно варьировать по ее площади. В сравнении, более низкий коэффициент для высокочастотных ламинатов указывает на меньшую вариацию температуры по площади платы. Это особенно важно для проектирования плат, предназначенных для более горячих сред.

Диэлектрическая постоянная: выберите правильное значение Dk

Иногда диэлектрическая постоянная печатной платы может быть так же важна, как любая другая особенность платы. Диэлектрическая постоянная платы влияет на размер трасс передачи схемы, особенно в высокочастотных схемах вроде RF или микроволновых дизайнов. Чем меньше трассы передачи могут быть, тем меньше сама схема.

Поэтому, если меньший размер печатной платы желателен, материал платы с более высоким значением Dk — лучший выбор. FR4 обладает диэлектрической постоянной около 4,5, что ниже, чем у высокочастотных материалов Dk, который обычно лежит вокруг 6,15 до 11. Использование этих высоких Dk материалов может иметь значительные результаты, состригая 25% или более от размера конечной печатной платы.

Операционная среда:

Операционная среда для схемы — еще вещь для учета при выборе между FR4 и высокочастотным ламинатом. Это включает экологические условия, как влага и температура. В обоих случаях высокочастотные ламинаты обеспечивают большую влагостойкость и теплостойкость, чем FR4, значит операционная среда будет иметь значительно меньше влияние на функцию схемы. Это критическое соображение, если PCB будет работать на открытом воздухе или в экстремальных промышленных средах.

Короче, высокочастотные ламинаты обладают широким спектром физических характеристик, многие из которых превосходят FR4. Единственный недостаток высокочастотных ламинатов над FR4 — относительно более высокая стоимость, что значительный фактор для дизайнеров, фокусирующихся на стоимости. Большое решение — когда преимущества перевешивают затраты высокочастотных ламинатов.

Выбор: FR4 против высокочастотного ламината

Так, используя всю информацию выше, как электроинженер или дизайнер PCB может выбрать между FR4 и высокочастотным ламинатом? Во-первых, дизайнер должен перечислить и сравнить электрические и механические требования для конечной PCB, используя наиболее конкретные параметры возможные. Дизайнер должен затем изучить, насколько хорошо FR4 выполнит эти параметры по сравнению с ламинатом, спроектированным для обработки высокочастотных сигналов. Более точные данные для каждого из пунктов выше легко доступны через промышленные даташиты.

Короче, FR4 — широко актуальный материал, популярный в основном за низкую стоимость и относительную механическую и электрическую стабильность. Пока материал FR4 обладает обширными преимуществами и доступен в различных толщинах и размерах, он не лучший выбор для каждого приложения, особенно высокочастотных приложений вроде RF и микроволновых дизайнов. В последних случаях высокочастотный ламинат — лучший выбор. Все равно легко видеть, почему FR4 все еще в таком распространенном использовании до сих пор.

 

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

Если вы ищете печатные платы FR4 или платы любого другого материала, Millennium Circuits Limited может помочь. MCL поставляет высококачественные платы и схемы в любом количестве при сохранении экстремального качества и своевременной доставки. С 2005 года наш бизнес в Харрисбурге, PA, гордится предоставлением высококачественных услуг, соответствующих самым высоким международным стандартам. Мы даже предлагаем инженерную поддержку и конкурентное ценообразование.

Узнайте, почему MCL оценивается на 98% по качеству и 99% по производительности доставки. Свяжитесь с нами сегодня для быстрого, безобязательного расчета, чтобы узнать, как MCL может помочь вам.

 

Запросить бесплатный расчет