fr4 - definice a význam
fr4 je kód pro třídu nehořlavosti epoxidového laminátu vyztuženého skelnými vlákny s měděným pláštěm. Znamená to, že pryskyřice musí po zapálení přestat sama hořet. fr4 není název jednoho konkrétního materiálu. Je to třída materiálu používaná pro desky plošných spojů (PCB).
složení a běžné typy
V běžných deskách plošných spojů se používá mnoho druhů materiálů fr4. Většinou se jedná o kompozitní materiály vyrobené z takzvané tetrafunkční epoxidové pryskyřice, plniv a skleněných vláken.
Příklad: pokud specifikace PCB zní fr4 T:1.0 D/S, to znamená: fr4 stupeň nehořlavosti, T:1,0 znamená tloušťku 1,0 mm, D/S znamená oboustranný. Jinými slovy, materiál desky je epoxidová skelná tkanina, oboustranný laminát s měděným pláštěm, tloušťka 1 mm, oboustranný.
fr4 - klíčové vlastnosti a klasifikace
Z technického hlediska mají lamináty fr4 řadu klíčových specifikací. Mezi ně patří:
- pevnost v ohybu a pevnost v odlupování a odolnost proti tepelným šokům;
- silná odolnost proti šíření plamene;
- objemový odpor a povrchový odpor;
- dielektrická konstanta (Dk) a rozptylový faktor (tangens ztrát);
- teplota skelného přechodu (Tg);
- rozměrová stabilita, maximální teplota použití a deformace.
Tyto vlastnosti společně definují výkonnost fr4 při výrobě DPS.
další běžné základní materiály PCB
◉ desky na bázi skleněné tkaniny
- Desky ze skleněné tkaniny: fr4 a fr5
V obou případech se používá speciální elektronická tkanina napuštěná epoxidovou (nebo epoxid-fenolickou) pryskyřicí. Poté se vytvrzují za vysokého tepla a tlaku. fr4 je nejpoužívanější deska při výrobě DPS. Má dobré elektrické vlastnosti, dobrou mechanickou pevnost a tepelnou odolnost. Široce se používá při výrobě vícevrstvých desek plošných spojů.
◉ Desky na bázi papíru
2. Papírové desky: fr-1, fr-2, fr-3
Fenolické papírové desky používají jako pojivo fenolickou pryskyřici a jako povrchovou výztuž dřevovláknitou tkaninu. Vyrábějí se za vysokého tepla a tlaku.
◉ Kompozitní desky
3. Kompozitní desky: CEM-1 a CEM-3
Mezi kompozitní desky patří řada mědí plátovaných laminátů CEM. CEM-1 používá jako jádro epoxidový papír. CEM-3 používá jako jádro epoxidovou skleněnou netkanou textilii. Tyto desky CEM se snadno zpracovávají. Mají dobrou rovinnost, rozměrovou stabilitu a přesnou tloušťku. Jejich mechanická pevnost, dielektrické vlastnosti, absorpce vody a odolnost proti migraci kovů jsou lepší než u papírových desek. Zejména desky CEM-3 mohou dosahovat přibližně 80% mechanické pevnosti desek fr4, ale obvykle stojí méně.
◉ Speciální materiálové desky
4. Speciální desky (např, keramika a kov)
Patří mezi ně keramické substráty a desky s kovovým jádrem. Mají speciální vlastnosti pro aplikace, které vyžadují vyšší výkon materiálu.
výhody a omezení fr4
Od doby, kdy jsem začal navrhovat desky plošných spojů, je fr4 standardním materiálem desek. Zpočátku někteří návrháři nazývali každou desku “fr4”, ať už to tak bylo, nebo ne. fr4 je nehořlavý epoxidový laminát typu 4 vyztužený skleněnými vlákny. Je cenově výhodný. Je dobrým elektrickým izolantem. Je pevný v suchých i vlhkých podmínkách. Snadno se také vyrábí do desek. Z těchto důvodů je fr4 běžnou volbou pro výrobu desek plošných spojů.
fr4 má své limity. Může se dostat do problémů, když je příliš velký výkon, napětí nebo teplo. Pokud ho budete tlačit za jeho hranice, jeho dielektrické vlastnosti se sníží. To znamená, že materiál ztratí izolaci a začne vodit. Dalším problémem je udržení stabilní impedance ve vysokorychlostních konstrukcích. dielektrická konstanta fr4 se může měnit v závislosti na délce a šířce desky. Se zvyšující se konstrukční rychlostí může být ztráta signálu, která byla přijatelná u desek s nízkou rychlostí, u desek fr4 příliš vysoká.
je fr4 nejlepší volbou pro vysokorychlostní návrh DPS?
Když se pustíme do projektu mimo svou komfortní zónu, poznáme nové hranice. Pro mě ten den nastal, když mě šéf požádal o vysokorychlostní deska. Věděl jsem, že vysokorychlostní konstrukce přináší limity, které v běžných obvodech nevidíme. Nejprve jsem vytvořil schéma vhodné pro vysokou rychlost. Pak jsem se zaměřil na to, zda by měl vysokorychlostní prototyp používat fr4 nebo specializovanější materiál. Než se rozhodnete, uvědomte si, že v tomto textu se výraz “vysokorychlostní” používá pro cokoli nad úrovní 50 MHz. To jsou podstatné problémy v tomto frekvenčním rozsahu.
Vysokorychlostní konstrukce mají přísnější pravidla pro integritu signálu. Abyste tato pravidla splnili, musíte pečlivě kontrolovat směrování. Součástí rovnice integrity signálu je však i samotný materiál desky. Materiál pro vysokorychlostní desky by tedy měl mít přísnou toleranci Dk a další kontrolované vlastnosti, které pomáhají řídit impedanci. Pokud se impedance napříč konstrukcí mění, vysokorychlostní signály budou při svém pohybu odrážet energii zpět a signál se zkreslí. Také nízký ztrátový tangens pomáhá udržet signál silný. A konečně, tepelná stabilita pomáhá zajistit, aby se dielektrické vlastnosti neporušily.
jak se specializované vysokorychlostní materiály srovnávají s fr4
Speciální vysokorychlostní materiály, jako jsou termosetové uhlovodíkové lamináty a teflonové lamináty, často poskytují lepší a spolehlivější výkon v konstrukcích s vyšší frekvencí než fr4. Níže jsou uvedeny některé klíčové výhody těchto materiálů:
- Snížení ztráty signálu. S rostoucí frekvencí přenosového vedení roste ztráta signálu. Vysokorychlostní lamináty mají mnohem nižší ztrátový tangens než fr4. Některé materiály, například lamináty z téměř čistého PTFE, jsou řádově lepší. Nižší tangens ztrát je klíčovým faktorem pro snížení ztrát signálu.
- Přísnější kontrola impedance. Tradiční materiály, jako je fr4, nedokážou držet dielektrickou konstantu (Dk) tak pevně jako vysokorychlostní materiály. fr4 Dk se může lišit o ±10% nebo více. Materiály jako PTFE mohou udržet Dk v rozmezí ±2% nebo lepším.
- Lepší tepelná správa. Některé vysokorychlostní lamináty (např. termosetové uhlovodíkové lamináty) mají mnohem lepší tepelnou vodivost než fr4. Pokud vaše konstrukce potřebuje řídit teplo, stojí za to tyto lamináty prostudovat.
- Nižší příjem vlhkosti. Voda má dielektrické účinky. I malá vlhkost v desce plošných spojů může změnit elektrický výkon vysokofrekvenčních obvodů. Ačkoli text uvádí, že absorpce vlhkosti fr4 je téměř 50%, některé vysokorychlostní materiály (například některé lamináty PTFE) mohou mít mnohem nižší absorpci vlhkosti, téměř 2%, a to pomáhá udržet stabilní elektrické chování.
- Větší rozměrová stabilita. Husté vysokorychlostní uspořádání vyžaduje přísnou kontrolu rozměrů. fr4 je známý dobrou rozměrovou stabilitou, ale některé vysokorychlostní materiály nabízejí lepší celkový výkon pro konstrukce s přísnou tolerancí. V takových případech mohou být lepší volbou termosetové uhlovodíkové lamináty.
