fr4 - definition og betydning
fr4 er koden for den flammehæmmende klassificering af et glasfiberforstærket epoxy-kobberbeklædt laminat. Det betyder, at harpiksen skal holde op med at brænde af sig selv efter at være blevet antændt. fr4 er ikke navnet på et bestemt materiale. Det er en materialekvalitet, der bruges til PCB'er (printed circuit boards).
sammensætning og almindelige typer
Der er mange slags fr4-materialer, der bruges i normale printkort. De fleste er kompositmaterialer lavet af en såkaldt tetrafunktionel epoxyharpiks plus fyldstoffer og glasfiber.
Eksempel: Hvis en PCB-specifikation lyder fr4 T:1.0 D/S, betyder det: fr4 flammehæmmende kvalitet, T:1,0 betyder tykkelse 1,0 mm, D/S betyder dobbeltsidet. Med andre ord er pladematerialet et dobbeltsidet kobberbeklædt laminat af epoxyglasdug, 1 mm tykt, dobbeltsidet.
fr4 - vigtige egenskaber og klassifikationer
Teknisk set har fr4-laminater en række vigtige specifikationer. Disse omfatter:
- bøjningsstyrke og afskalningsstyrke samt ydeevne ved termisk chok;
- stærk flammehæmning;
- volumenresistivitet og overflade-resistivitet;
- dielektrisk konstant (Dk) og spredningsfaktor (tabstangent);
- glasovergangstemperatur (Tg);
- dimensionsstabilitet, maksimal brugstemperatur og skævhed.
Disse egenskaber definerer tilsammen fr4's ydeevne ved fremstilling af printkort.
andre almindelige PCB-basismaterialer
◉ Glasfiberbaserede plader
- Glasfiberplader: fr4 og fr5
Begge bruger specielt elektronisk stof, der er dyppet i epoxy (eller epoxy-phenolic) harpiks. Derefter hærdes de under høj varme og tryk. fr4 er den mest anvendte plade til fremstilling af printkort. Det har gode elektriske egenskaber, god mekanisk styrke og varmebestandighed. Det bruges i vid udstrækning til produktion af flerlags printkort.
◉ Papirbaserede plader
2. Papirtavler: fr-1, fr-2, fr-3
Phenolic paper boards bruger phenolic resin som bindemiddel og wood-pulp fiberdug som overfladeforstærkning. De fremstilles under høj varme og tryk.
◉ Sammensatte plader
3. Sammensatte plader: CEM-1 og CEM-3
Kompositplader omfatter CEM-serien af kobberbeklædte laminater. CEM-1 bruger epoxypapir som kerne. CEM-3 bruger ikke-vævet stof af epoxyglas som kerne. Disse CEM-plader er nemme at bearbejde. De har god planhed, dimensionsstabilitet og præcis tykkelse. Deres mekaniske styrke, dielektriske egenskaber, vandabsorption og modstandsdygtighed over for metalmigration er alle bedre end papirplader. CEM-3 kan nå op på ca. 80% af fr4’s mekaniske styrke, men koster normalt mindre.
◉ Særlige materialeplader
4. Særlige bestyrelser (f.eks, keramik og metal)
Disse omfatter keramiske substrater og metalkerneplader. De har særlige egenskaber til anvendelser, der kræver højere materialeydelse.
fordele og begrænsninger ved fr4
Siden jeg begyndte at designe printkort, har fr4 været standardmaterialet. I starten kaldte nogle designere alle print for “fr4”, uanset om det var det eller ej. fr4 er et flammehæmmende, type 4, glasfiberforstærket epoxylaminat. Det er omkostningseffektivt. Det er en god elektrisk isolator. Det er stærkt under både tørre og fugtige forhold. Det er også nemt at lave til plader. Af disse grunde er fr4 et almindeligt valg til opbygning af printkort.
fr4 har grænser. Det kan løbe ind i problemer, når der er for meget strøm, spænding eller varme. Hvis du presser det ud over dets grænser, vil dets dielektriske egenskaber falde. Det betyder, at materialet mister sin isoleringsevne og begynder at lede. Et andet problem er at holde en stabil impedans i højhastighedsdesigns. fr4’s dielektriske konstant kan variere på tværs af kortets længde og bredde. Når designhastighederne stiger, kan signaltab, som var acceptabelt i lavhastighedskort, blive for højt på fr4-kort.
Er fr4 det bedste valg til højhastigheds PCB-design?
Når vi påtager os et projekt uden for vores komfortzone, lærer vi nye grænser at kende. For mig kom den dag, da min chef bad om en Højhastighedskort. Jeg vidste, at højhastighedsdesign medfører begrænsninger, som vi ikke ser i normale kredsløb. Først lavede jeg et skema, der passede til høj hastighed. Derefter fokuserede jeg på, om højhastighedsprototypen skulle bruge fr4 eller et mere specialiseret materiale. Før du vælger, skal du bemærke, at denne tekst bruger “højhastighed” til alt over 50 MHz. Det er de væsentligste problemer i det frekvensområde.
Højhastighedsdesigns har strengere regler for signalintegritet. Du skal kontrollere routing nøje for at opfylde disse regler. Men selve printmaterialet er en del af signalintegritetsligningen. Så materialet til højhastighedskort skal have en stram Dk-tolerance og andre kontrollerede egenskaber, der hjælper med at kontrollere impedansen. Hvis impedansen varierer på tværs af designet, vil højhastighedssignaler reflektere energi tilbage, når de bevæger sig, og signalet vil blive forvrænget. En lav tabstangent hjælper også med at holde signalet stærkt. Endelig er termisk stabilitet med til at sikre, at de dielektriske egenskaber ikke nedbrydes.
hvordan specialiserede højhastighedsmaterialer sammenlignes med fr4
Særlige højhastighedsmaterialer, som f.eks. hærdede kulbrintelaminater og PTFE-laminater, giver ofte bedre og mere pålidelig ydeevne i højfrekvente konstruktioner end fr4. Nedenfor er nogle af de vigtigste fordele ved disse materialer:
- Reduceret signaltab. Når transmissionslinjens frekvens stiger, vokser signaltabet. Højhastighedslaminater har meget lavere tabstangent end fr4. Nogle materialer, som næsten rene PTFE-laminater, er en størrelsesorden bedre. Lavere tabstangent er en nøglefaktor til at reducere signaltabet.
- Strammere impedansstyring. Traditionelle materialer som fr4 kan ikke holde den dielektriske konstant (Dk) så tæt som højhastighedsmaterialer. fr4 Dk kan variere med ±10% eller mere. Materialer som PTFE kan holde Dk inden for ca. ±2% eller bedre.
- Bedre termisk styring. Nogle højhastighedslaminater (f.eks. termohærdende kulbrintelaminater) har meget bedre varmeledningsevne end fr4. Hvis dit design skal kunne håndtere varme, er disse laminater værd at undersøge.
- Lavere optagelse af fugt. Vand har dielektriske effekter. Selv en lille smule fugt i et printkort kan ændre den elektriske ydeevne i højfrekvente kredsløb. Selvom teksten siger, at fr4-fugtabsorptionen er nær 50%, kan nogle højhastighedsmaterialer (f.eks. nogle PTFE-laminater) have meget lavere fugtoptagelse, nær 2%, og det hjælper med at opretholde en stabil elektrisk opførsel.
- Stærkere dimensionel stabilitet. Tætte højhastighedslayouts kræver stram dimensionel kontrol. fr4 er kendt for god dimensionel stabilitet, men nogle højhastighedsmaterialer giver en bedre samlet ydeevne til design med strenge tolerancer. I sådanne tilfælde kan termohærdede kulbrintelaminater være et bedre valg.
