FR4 PCB Materiaali: Ominaisuudet, Dielektrisyysvakio, CTE & Datasheet Guide

Mikä on FR4? Määritelmä ja toimiala

FR4 – myös kirjoitettu FR-4 – on maailman laajimmin käytetty pohjamateriaali painetuissa piirilevyissä. Nimitys tarkoittaa Paloa hidastava tyyppi 4 , National Electrical Manufacturers Associationin (NEMA) määrittelemä luokkaluokitus LI 1 -standardin mukaisesti. Siinä määritellään kudottu lasikuitukangasvahvike, joka on upotettu epoksihartsimatriisiin, ja hartsiin on sisällytetty bromi- tai fosftaiipohjainen palonestojärjestelmä, joka täyttää UL 94 V-0 -syttyvyysvaatimukset.

FR4 on ollut hallitseva PCB materiaali 1970-luvulta lähtien, syrjäyttämällä aikaisemmat fenolipaperilaminaatit (FR1, FR2) ja puuvilla-lasikomposiitit (FR3) lähes kaikissa elektroniikkasovelluksissa. Sen yhdistelmä sähköeristyssuorituskykyä, mekaanista lujuutta, mittojen vakautta, kosteudenkestävyyttä ja prosessoitavuutta kilpailukykyisin kustannuksin on edelleen vertaansa vailla minkään yksittäisen vaihtoehtoisen materiaalin kanssa vertailukelpoisilla hinnoilla. Arvioitu 90 % tai enemmän kaikista jäykistä piirilevyistä maailmanlaajuisesti valmistetut käyttävät substraattina FR4:ää tai johdannaisformulaatiota.

Termi "FR4" viittaa teknisesti laminaattimateriaaliin - dielektriseen pohjaan - eikä valmiiseen levyyn. An FR4 PCB hallitus or FR4 painettu piirilevy on valmis levy, jossa substraatti on FR4-laminaattia, kuparikalvokerrokset on sidottu yhteen tai molempiin pintoihin ja johtavia jälkiä, tyynyjä ja läpivientejä muodostetaan syövyttämällä ja poraamalla.

FR4 materiaalin ominaisuudet: Täydellinen tekninen profiili

FR4-materiaalin ominaisuudet vaihtelevat jossain määrin valmistajien ja tiettyjen koostumusten välillä, mutta alla olevat arvot edustavat yleiskäyttöisen FR4-laminaatin vakiintunutta standardialuetta, joka on määritelty IPC-4101-viivolehdissä /21 ja /24 (yleisimpiä kaupallisia laatuja). Suunnitteluinsinöörit viittaavat FR4 materiaalitiedote Valmistajakohtaisia arvoja tulisi pitää pätevinä mille tahansa tuotteelle, mutta alla olevat luvut ovat luotettavia alustavia suunnittelulaskelmia varten.

Dielektriset ominaisuudet

The FR4:n dielektrisyysvakio — jota kutsutaan myös suhteelliseksi permittiivisyydeksi (Dk tai εr) — on yksi piirilevysuunnittelun eniten viitatuista parametreista. Se määrittää signaalin etenemisnopeuden ja ohjatun impedanssin jälkien impedanssin. Vakio-FR4:ssä on a dielektrisyysvakio noin 4,2–4,6 mitattuna 1 MHz:llä, yleensä viitataan 4,3:een tai 4,4:ään suunnittelun viitteenä. Korkeammilla taajuuksilla (1 GHz) FR4:n suhteellinen dielektrisyysvakio tyypillisesti laskee alueelle 4,0–4,2 epoksi-lasikomposiitin taajuusdispersion vuoksi.

Tämä taajuusriippuvuus on standardi FR4:n kriittinen rajoitus nopeassa digitaalisessa ja RF-suunnittelussa. Noin 1–2 GHz:n yläpuolella vaihtelu in FR4:n suhteellinen permittiivisyys taajuudella tulee tarpeeksi merkittävä aiheuttamaan signaalin eheysongelmia - etenemisviiveen vaihtelua, differentiaaliparin vinoutumista ja impedanssin poikkeamaa nimellisarvosta. Pienihäviöiset FR4-versiot ja tarkoitukseen suunnitellut korkeataajuiset laminaatit (Rogers, Isola, Taconic) vastaavat tästä korkeammalla hinnalla.

Standardin FR4 häviökerroin (Df, häviötangentti) on 0,017–0,025 taajuudella 1 MHz , nousee taajuuden mukaan. Vertailun vuoksi: Rogers RO4003C:n Df on 0,0027 – suunnilleen suuruusluokkaa pienempi – minkä vuoksi vakiona FR4 dielektrinen materiaalia ei käytetä mikroaaltouunissa tai millimetriaaltosovelluksissa.

Mekaaniset ominaisuudet

FR4 on kova, jäykkä laminaatti, jolla on hyvä taivutuslujuus:

• Taivutuslujuus (pituussuunnassa): 415-550 MPa
• Vetolujuus: 310–410 MPa (pituussuunnassa)
• Youngin moduuli (tasossa): noin 18-24 GPa
• Puristusvoima: 415 MPa (suoraan laminaattiin)
• Rockwellin kovuus (M-asteikko): 110

Nämä arvot tekevät FR4:stä huomattavasti vahvemman kuin termoplastiset piirilevysubstraatit ja riittävän jäykän automatisoituihin piirilevyjen kokoamisprosesseihin, mukaan lukien poiminta ja paikka, aaltojuotto ja reflow ilman kiinnitystukea vakiolevypaksuuksille (1,0–3,2 mm).

Lämpöominaisuudet

Lämpöteho on yleisimmin mainittu FR4:n rajoitus tehoelektroniikassa ja suuren hajoamisen sovelluksissa:

• FR4:n lämmönjohtavuus: 0,25–0,35 W/(m·K) koneessa; noin 0,3 W/(m·K) kohtisuorassa laminaattiin nähden. Tämä on erittäin alhainen verrattuna alumiiniin (205 W/(m·K)) tai kupariin (385 W/(m·K)), minkä vuoksi lämpöläpivientejä, kuparivaluja ja metalliytimisiä PCB-alustoja käytetään lämpöä vaativissa malleissa.
• Lasittumislämpötila (Tg): Standardi FR4 - 130-140 °C; keski-Tg FR4 - 150-160 °C; korkea-Tg FR4 - 170-180 °C. Tg:n yläpuolella epoksimatriisi pehmenee ja materiaali menettää mittavakauden. Lyijyttömät juotosprosessit saavuttavat huippunsa 260 °C:ssa, minkä vuoksi korkean Tg:n FR4 on määritelty RoHS-yhteensopiville kokoonpanoille.
• Hajoamislämpötila (Td): 300–340 °C vakiolaatuille; yli 340 °C erittäin luotettaville halogeenittomille formulaatioille.
• Ominaislämpökapasiteetti: noin 1,0–1,1 J/(g·K)

Lämpölaajenemiskerroin (FR4:n CTE)

The CTE FR4 on anisotrooppinen - se eroaa merkittävästi tason (x-y) ja tason ulkopuolella (z-akseli) välillä:

• CTE x-y (tasossa): 14-17 ppm/°C (alle Tg)
• CTE:n z-akseli (läpipaksuus): 50-70 ppm/°C (alle Tg); 200–300 ppm/°C Tg:n yläpuolella

Korkea z-akselin CTE on pääasiallinen syy tynnyrin halkeilemiseen pinnoitetuissa läpivientirei'issä (PTH) lämpösyklin aikana. Z-akselin laajeneminen rasittaa läpiviennin kuparipiippua, jonka CTE on vain 17 ppm/°C, jolloin polven säteelle syntyy väsymishalkeamia toistuvien lämpöretkien jälkeen. Tämä on suunnittelun kestävä huolenaihe korkean syklin ympäristöissä, kuten auto- ja teollisuuselektroniikassa, ja se ohjaa korkean Tg:n tai halogeenittomia FR4-variantteja, joissa on pienempi z-akselin CTE.

Fyysiset ominaisuudet

• FR4 materiaalin tiheys: 1,85–1,95 g/cm³ (tyypillisesti mainitaan 1,9 g/cm³ standardille lasi-epoksi FR4). The FR4-materiaalin tiheys määräytyy ensisijaisesti lasikuidun tilavuusosuuden ja hartsijärjestelmän perusteella. Korkeampi lasipitoisuus lisää tiheyttä; halogeenittomat hartsit, joissa on erilaisia ​​täyteainemääriä, voivat muuttaa tiheyttä hieman.
• Veden imeytyminen (24 tunnin upotus): 0,10–0,20 painoprosenttia – tarpeeksi alhainen ylläpitämään sähköisen eristyksen suorituskykyä useimmissa käyttöympäristöissä
• Tilavuusvastus: 10⁸–10¹⁰ MΩ·cm
• Pintaresistanssi: 10⁴–10⁶ MΩ
• Dielektrinen murtumislujuus: 20–50 kV/mm (suoraan laminaattiin nähden)
• Syttyvyysluokitus: UL 94 V-0

Mikä on PCB Asettelu ja kuinka FR4:n ominaisuudet vaikuttavat suunnittelupäätöksiin

PCB-asettelu on prosessi, jossa asetetaan elektronisia komponentteja ja reititetään kuparijäljet, tasot ja läpiviennit, jotka yhdistävät ne sähköisesti painetulle piirilevylle. Asettelu suoritetaan EDA (Electronic Design Automation) -ohjelmistolla kaavamaisen kaappauksen jälkeen, ja se on vaihe, jossa substraattimateriaalin fyysiset ominaisuudet - mukaan lukien FR4:n dielektrisyysvakio, lämmönjohtavuus ja CTE - vaikuttavat suoraan suunnitteluvalintoihin.

Neljä FR4-ominaisuutta, jotka liittyvät suoraan piirilevyasettelupäätöksiin, ovat:

• Dielektrisyysvakio (Dk): määrittää mikroliuska- ja liuskajohtojälkien impedanssin. 50 ohmin mikroliuskajälki standardissa FR4:ssä (Dk ≈ 4,3) vaatii eri leveyslaskelman kuin sama jälki Rogers RO4003C:ssä (Dk = 3,55). Impedanssilaskurien on käytettävä oikeaa Dk-arvoa tietylle määritettävälle FR4-laminaatille, ei yleistä lukua.
• Lämmönjohtavuus: alhainen lämmönjohtavuus (0,3 W/(m·K)) tarkoittaa, että komponenttien tuottama lämpö leviää huonosti levyn läpi. Asettelun on kompensoitava lämpökuormitussuunnittelulla, maatasoihin liitetyillä kuparin kaatoalueilla ja lämpöä ryhmien kautta suuren hajoamisen komponenttien, kuten teho-MOSFETien, säätimien ja RF-tehovahvistimien, alla.
• CTE-epäsopivuus: FR4:n ~14–17 ppm/°C tasossa oleva CTE on lähellä, mutta ei identtinen useiden IC-pakettien CTE:n kanssa (pii: ~2,6 ppm/°C; keraaminen: ~6–7 ppm/°C; FR4-yhteensopivat BGA-paketit: ~14–16 ppm/°C). Komponenttien, joissa on merkittävä CTE-epäsopivuus, alitäyttö, lämpösyklin testaus IPC-9701:n mukaan ja komponenttien sijoittaminen pois levyn jännityspisteistä (kulmat, asennusreiät) ovat tavallisia asettelukäytäntöjä.
• Häviötangentti: signaalin vaimennus FR4:ssä kasvaa jyrkästi taajuuden myötä suhteellisen korkeasta Df:stä johtuen. Differentiaalipareille, jotka kuljettavat yli 2–3 Gbps:n signaaleja, jälkipituuden minimointi, kerrosten siirtymien minimoiminen ja pienihäviöisten FR4-muunnelmien huomioon ottaminen ovat layout-tason lievennysstrategioita ennen täysin eri substraattimateriaaliin vaihtamista.

FR4-versiot: vakio, korkea-Tg, halogeeniton ja FR1-vertailu

Ei kaikki FR4-piirilevymateriaali on vastaava. Perusnimitys kattaa joukon formulaatioita, joilla on merkittävästi erilaiset suorituskykyprofiilit hartsijärjestelmän ja täyteaineen kemian mukaan.

Vakio FR4 (Tg 130–140 °C)

Peruskoostumus, joka soveltuu kulutuselektroniikkaan, yleisiin teollisuus- ja tietoliikennesovelluksiin, jotka on käsitelty tina-lyijyjuotteella (palautushuippu ~220°C). Ei suositella lyijyttömään sulatukseen ilman vahvistusta, että kyseinen laminaattituote on mitoitettu 260 °C:n huippuprosessin lämpötiloihin.

High-Tg FR4 (Tg 170–180°C)

Formuloitu modifioidulla epoksihartsilla (usein monikäyttöinen epoksi- tai syanaattiesteriseos), joka nostaa Tg:n 170–180 °C:seen. Tämä tarjoaa suuremman lämpömarginaalin lyijyttömälle prosessoinnille, vähentää z-akselin CTE:tä ja parantaa delaminaatiokestävyyttä monikerroksisissa levyissä, joissa on suuri läpivientitiheys. High-Tg FR4 on vakiospesifikaatio auto-, teollisuus-, palvelin- ja sotilaskäyttöön liittyvissä sovelluksissa.

Halogeeniton FR4

Perinteisessä FR4:ssä käytetään bromipohjaisia palonestoaineita (tetrabromibisfenoli A, TBBPA), jotka synnyttävät myrkyllistä bromivetykaasua palaessaan. Halogeenittomat versiot korvaavat nämä palonestojärjestelmillä, joissa on fosfori-typpi tai alumiinitrihydroksidi (ATH). Halogeenivapaalla FR4:llä on alhaisempi Dk (tyypillisesti 3,8–4,2) ja hieman erilaiset mekaaniset ominaisuudet kuin bromatuilla vastaavilla. Se on yhä useammin pakollinen eurooppalaisessa kulutuselektroniikassa RoHS- ja REACH-kehysten mukaisesti sekä tietyissä autoteollisuuden toimitusketjuissa.

PCB FR1 -materiaali vs. FR4

PCB FR1 on fenolipaperilaminaatti – fenolihartsilla kyllästetty paperisubstraatti – eikä lasikuitu-epoksikomposiitti. Se on huomattavasti halvempi kuin FR4, lävistää mieluummin kuin poraa puhtaasti, ja sitä käytetään yksinkertaisissa yksipuolisissa piirilevyissä kustannusherkissä sovelluksissa, kuten kaukosäätimissä, leluelektroniikassa ja yksinkertaisissa virtalähdelevyissä. FR1:llä on huomattavasti huonompi sähköeristys, kosteudenkestävyys ja mekaaninen lujuus verrattuna FR4:ään piirilevy materiaalia, eikä se sovellu monikerroksiseen rakentamiseen, hienojakoisten komponenttien sijoitteluun tai mihinkään sovelluksiin, jotka vaativat luotettavuutta lämpökierto- tai kosteusaltistuksessa.

Kun FR4 ei ole oikea piirilevymateriaali

Huolimatta vallasta, PCB FR4 materiaali on hyvin määritellyt sovellusrajat. Sen ymmärtäminen, missä se epäonnistuu, auttaa insinöörejä tekemään oikean substraatin valinnan heti alussa sen sijaan, että he löytäisivät rajoituksia testauksen aikana.

• RF ja mikroaaltouuni (yli 1–2 GHz): FR4:n taajuudesta riippuva Dk ja korkea Df tekevät siitä sopimattoman mikroliuska-antenneille, tutkan etuosille ja RF-sovitusverkkoihin, jotka ylittävät matalien GHz-taajuuksien. Sen sijaan käytetään PTFE-pohjaisia ​​laminaatteja (Rogers, Taconic), keraamitäytteisiä hiilivetylaminaatteja (Rogers RO4000-sarja) ja modifioituja epoksimateriaaleja.
• Tehokas LED ja tehoelektroniikka: FR4:n alhainen lämmönjohtavuus (0,3 W/(m·K)) aiheuttaa ei-hyväksyttäviä liitoslämpötiloja suuritiheyksissä tehorakenteissa. Metallisydämiset piirilevyt (MCPCB), joissa on alumiini- tai kupariytimet (dielektrisen kerroksen lämmönjohtavuus 1,0–3,0 W/(m·K) plus metalliydin) ovat vakiona LED-valaistuksessa, moottorikäytöissä ja DC-DC-muunninlevyissä, joilla on merkittäviä lämmönpoistovaatimuksia.
• Joustavat piirit: FR4 on jäykkä. Joustavat ja jäykät PCB-levyt käyttävät polyimidi (Kapton) substraattia, joka tarjoaa vertailukelpoisen sähköeristyksen, paljon suuremman joustavuuden ja laajemman lämpötila-alueen (-200 °C - 300 °C jatkuva).
• Korkeat käyttölämpötilat yli 130°C jatkuvasti: Standardi FR4 Tg rajoittaa jatkuvan käyttölämpötilan selvästi Tg-arvon alapuolelle. Jatkuvaan korkean lämpötilan käyttöön tarvitaan polyimidilaminaatteja, keraamisia substraatteja tai korkean Tg:n erikoislaminaatteja.

FR4-materiaalitiedotteen lukeminen: Mitä tarkistetaan

An FR4 materiaalitiedote laminaatin valmistajalta (Isola, Shengyi, Kingboard, Nan Ya, Ventec, Panasonic) luetteloi tyypillisesti ominaisuuksia useissa mittausolosuhteissa. Seuraavat ovat arvot, joita suunnittelijat useimmiten tarvitsevat ja mitä tulee huomioida vertailtaessa tuotteita.

• Dk- ja Df-mittaustaajuus: Tarkista aina, millä taajuudella dielektrisyysvakio ilmoitetaan. Dk 4,5 taajuudella 1 MHz ja 4,1 1 GHz taajuudella samassa materiaalissa ovat molemmat oikein – ne kuvaavat erilaisia ​​olosuhteita. Käytä signaalin eheystyössä arvoa suunnittelutaajuudella tai korkeimmalla toimintaharmonisella.
• Tg-mittausmenetelmä: Tg voidaan mitata DSC:llä (Differential Scanning Calorimetry), DMA:lla (Dynamic Mechanical Analysis) tai TMA:lla (Thermomechanical Analysis), jotka antavat erilaisia numeerisia tuloksia samalle materiaalille. DSC antaa tyypillisesti alhaisimman lukeman; DMA antaa korkeimman. IPC-4101 määrittelee testimenetelmän jokaiselle vinoviivalevylle, joten vertaa vain saman menetelmän sisällä.
• Lämmönjohtavuuden mittaussuunta: FR4:n tasossa oleva lämmönjohtavuus on suurempi kuin läpimenopaksuus. Lämmön leviämislaskelmissa käytä läpimittapaksuuden arvoa (Z-suunta); käytä reunajohtavissa malleissa tasossa olevaa arvoa.
• IPC-4101 vinoviivalevyn yhteensopivuus: vinoviiva arkin numero kertoo vähimmäissuorituskykyluokan, jonka laminaatti täyttää. /21 on tavallinen kaupallinen FR4; /24 on korkeampi Tg; /26 on korkea-Tg-halogeeniton. Vinoviivan määrittäminen pelkän "FR4":n sijaan estää korvaamisen heikompilaatuisilla materiaaleilla tietämättäsi.
• CAF-vastus: Conductive Anodic Filament (CAF) -vastus – kyky vastustaa kuparifilamenttien sähkökemiallista kasvua lasikuitu-hartsirajapinnalla jännitteen poikkeaman alaisena kosteissa olosuhteissa – on yhä enemmän määritelty autoteollisuuden ja erittäin luotettavissa malleissa. Kaikki FR4-tietolomakkeet eivät sisällä CAF-tietoja; pyydä sitä nimenomaisesti suunnitellessasi ympäristöihin, joissa on korkea kosteus tai korkea jännite.