fr4 - التعريف والمعنى
fr4 هو الرمز الخاص بتصنيف مثبطات اللهب لصفائح الإيبوكسي المقوى بالألياف الزجاجية المكسوة بالنحاس. وهذا يعني أن الراتنج يجب أن يتوقف عن الاحتراق من تلقاء نفسه بعد إشعالها. إنها درجة المواد المستخدمة في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (لوحات الدوائر المطبوعة).
التركيب والأنواع الشائعة
هناك أنواع عديدة من مواد fr4 المستخدمة في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور العادية. ومعظمها مواد مركبة مصنوعة مما يسمى راتنجات الإيبوكسي رباعية الوظائف، بالإضافة إلى مواد حشو وألياف زجاجية.
مثال: إذا كانت مواصفات ثنائي الفينيل متعدد الكلور فر4 ت:1.0 د/س, يعني: fr4 درجة مثبطات اللهب، T:1.0 يعني سمك 1.0 مم، D/S يعني الجانب المزدوج. وبعبارة أخرى، فإن مادة اللوح عبارة عن صفائح نحاسية مكسوة بالنحاس على الوجهين من قماش زجاجي إيبوكسي بسماكة 1 مم، مزدوجة الجوانب.
FR4 - الخصائص والتصنيفات الرئيسية
من الناحية الفنية، تحتوي شرائح fr4 على مجموعة من المواصفات الرئيسية. وتشمل هذه المواصفات:
- قوة الانثناء وقوة التقشير وأداء الصدمات الحرارية;
- مثبط قوي للهب;
- مقاومية الحجم ومقاومة السطح;
- ثابت العزل الكهربائي (Dk) ومعامل التبديد (ظل الفقد);
- درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg);
- ثبات الأبعاد، ودرجة حرارة الاستخدام القصوى، والالتواء.
تحدد هذه الخصائص معًا أداء fr4 في صناعة ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
مواد قاعدة ثنائي الفينيل متعدد الكلور الشائعة الأخرى
ألواح من القماش الزجاجي
- ألواح قماش زجاجية: fr4 و fr5
وكلاهما يستخدم نسيجًا إلكترونيًا خاصًا منقوعًا في راتنجات الإيبوكسي (أو الإيبوكسي الفينولي). ثم يتم معالجتها تحت حرارة وضغط مرتفعين. fr4 هو اللوح الأكثر استخدامًا في صناعة ثنائي الفينول متعدد الكلور. لها خصائص كهربائية جيدة وقوة ميكانيكية جيدة ومقاومة للحرارة. ويستخدم على نطاق واسع في إنتاج ثنائي الفينول متعدد الكلور متعدد الطبقات.
◉ الألواح الورقية
2. ألواح الورق: FR-1، FR-2، FR-3
تستخدم الألواح الورقية الفينولية راتنج الفينول كمادة رابطة وقماش من ألياف لب الخشب كتقوية للسطح. ويتم تصنيعها تحت حرارة وضغط مرتفعين.
◉ الألواح المركبة
3. ألواح مركبة: CEM-1 و CEM-3
تشمل الألواح المركبة سلسلة CEM من الشرائح المكسوة بالنحاس. تستخدم CEM-1 ورق الإيبوكسي كقلب. وتستخدم CEM-3 قماش الإيبوكسي الزجاجي غير المنسوج كقلب. هذه الألواح CEM سهلة المعالجة. وتتميز بالتسطيح الجيد وثبات الأبعاد والسُمك الدقيق. كما أن قوتها الميكانيكية وخصائصها العازلة وامتصاصها للماء ومقاومتها لانتقال المعادن أفضل من الألواح الورقية. والجدير بالذكر أن ألواح CEM-3 يمكن أن تصل قوتها الميكانيكية إلى حوالي 80% من القوة الميكانيكية لـ fr4 ولكن عادةً ما تكون أقل تكلفة.
ألواح المواد الخاصة
4. لوحات خاصة (على سبيل المثال, السيراميك والمعدن)
وتشمل الركائز الخزفية والألواح المعدنية الأساسية. لها خصائص خاصة للتطبيقات التي تحتاج إلى أداء مادي أعلى.
مزايا وحدود FR4
منذ أن بدأت في تصميم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، كانت مادة fr4 هي المادة القياسية للوحة. في البداية، كان بعض المصممين يطلقون على كل لوح “fr4” سواءً كان كذلك أم لا. fr4 عبارة عن صفائح إيبوكسي مقواة بالألياف الزجاجية من النوع 4 مثبطة للهب. إنها فعالة من حيث التكلفة. إنه عازل كهربائي جيد. وهو قوي في كل من الظروف الجافة والرطبة. كما أنه من السهل تحويله إلى ألواح. ولهذه الأسباب، تُعد FR4 خيارًا شائعًا لبناء مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور.
fr4 له حدود. فقد يواجه مشاكل عندما يكون هناك الكثير من الطاقة أو الجهد أو الحرارة. إذا دفعتها إلى أبعد من حدودها، ستنخفض خواصها العازلة. وهذا يعني أن المادة ستفقد العزل وتبدأ في التوصيل. هناك مشكلة أخرى وهي الحفاظ على مقاومة ثابتة في التصاميم عالية السرعة. يمكن أن يختلف ثابت العزل الكهربائي لـ fr4 عبر طول اللوحة وعرضها. مع ارتفاع سرعات التصميم، يمكن أن يصبح فقدان الإشارة الذي كان مقبولاً في الألواح منخفضة السرعة مرتفعًا جدًا على ألواح fr4.
هل fr4 هو الخيار الأفضل لتصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور عالي السرعة؟
عندما نتولى مشروعاً خارج منطقة راحتنا، نتعلم حدوداً جديدة. بالنسبة لي، جاء ذلك اليوم عندما طلب مني مديري لوحة عالية السرعة. عرفت أن التصميم عالي السرعة يجلب حدودًا لا نراها في الدوائر العادية. أولاً، قمت بعمل تخطيطي مناسب للسرعة العالية. ثم ركزت على ما إذا كان النموذج الأولي عالي السرعة يجب أن يستخدم fr4 أو مادة أكثر تخصصًا. قبل الاختيار، لاحظ أن هذا النص يستخدم كلمة “عالي السرعة” لأي شيء أعلى من 50 ميجاهرتز. هذه هي المخاوف المادية في نطاق التردد هذا.
التصميمات عالية السرعة لها قواعد أكثر صرامة لسلامة الإشارة. يجب عليك التحكم في التوجيه عن كثب لتلبية تلك القواعد. لكن مادة اللوحة نفسها جزء من معادلة تكامل الإشارة. لذا يجب أن تتمتع المواد المستخدمة في اللوحات عالية السرعة بتفاوت Dk ضيق وخصائص أخرى مضبوطة للمساعدة في التحكم في المعاوقة. إذا اختلفت الممانعة عبر التصميم، فإن الإشارات عالية السرعة ستعكس الطاقة أثناء انتقالها وستتشوه الإشارة. كما يساعد الظل منخفض الفقد في الحفاظ على قوة الإشارة. وأخيراً، يساعد الثبات الحراري على ضمان عدم انهيار الخصائص العازلة.
كيف تقارن المواد المتخصصة عالية السرعة مع FR4
غالبًا ما تعطي المواد الخاصة عالية السرعة، مثل الشرائح الهيدروكربونية الحرارية الهيدروكربونية وشرائح PTFE، أداءً أفضل وأكثر موثوقية في التصميمات عالية التردد من fr4. فيما يلي بعض الفوائد الرئيسية لهذه المواد:
- تقليل فقدان الإشارة. مع ارتفاع تردد خط النقل، يزداد فقدان الإشارة. تحتوي الشرائح عالية السرعة على ظل خسارة أقل بكثير من fr4. وتكون بعض المواد، مثل شرائح PTFE شبه النقية أفضل من حيث الحجم. يعتبر ظل الفقد المنخفض عاملًا رئيسيًا في تقليل فقد الإشارة.
- تحكم أكثر إحكاماً في المعاوقة. لا يمكن للمواد التقليدية مثل fr4 الاحتفاظ بالثابت العازل الكهربائي (Dk) بإحكام مثل المواد عالية السرعة. يمكن لمواد مثل PTFE الحفاظ على Dk في حدود ± 2% أو أفضل.
- إدارة حرارية أفضل. تتمتع بعض الشرائح عالية السرعة (على سبيل المثال الشرائح الهيدروكربونية الحرارية) بتوصيل حراري أفضل بكثير من fr4. إذا كان تصميمك يحتاج إلى إدارة الحرارة، فإن هذه الرقائق تستحق الدراسة.
- انخفاض امتصاص الرطوبة. للماء تأثيرات عازلة. حتى الرطوبة الصغيرة في ثنائي الفينيل متعدد الكلور يمكن أن تغير الأداء الكهربائي للدوائر عالية التردد. على الرغم من أن النص يقول أن امتصاص الرطوبة في fr4 يقترب من 50%، إلا أن بعض المواد عالية السرعة (على سبيل المثال بعض شرائح PTFE) يمكن أن يكون امتصاص الرطوبة أقل بكثير، بالقرب من 2%، وهذا يساعد في الحفاظ على سلوك كهربائي مستقر.
- ثبات أبعاد أقوى. تحتاج التصاميم الكثيفة عالية السرعة إلى تحكم محكم في الأبعاد. ومن المعروف أن مادة fr4 تتميز بثبات أبعادها الجيد، ولكن بعض المواد عالية السرعة تقدم أداءً عامًا أفضل للتصميمات ذات التفاوت الصارم. في مثل هذه الحالات، قد تكون الشرائح الهيدروكربونية الحرارية خيارًا أفضل.
