FR-4 PCB Leitfaden: Eigenschaften, Grenzwerte und Materialauswahl

fr4 - Definition und Bedeutung

fr4 ist der Code für die Flammwidrigkeit eines glasfaserverstärkten epoxidkupferkaschierten Laminats. Das bedeutet, dass das Harz nach einer Entzündung nicht mehr selbständig brennen darf. fr4 ist nicht der Name eines bestimmten Materials. Es handelt sich um eine Materialklasse, die für Leiterplatten (PCBs) verwendet wird.

Zusammensetzung und gängige Typen

Es gibt viele Arten von fr4-Materialien, die in normalen Leiterplatten verwendet werden. Die meisten sind Verbundwerkstoffe, die aus einem sogenannten tetrafunktionalen Epoxidharz sowie Füllstoffen und Glasfasern bestehen.

Beispiel: Wenn eine PCB-Spezifikation lautet fr4 T:1.0 D/S, bedeutet: fr4 flammhemmend, T:1,0 bedeutet Dicke 1,0 mm, D/S bedeutet doppelseitig. Mit anderen Worten, das Plattenmaterial ist ein doppelseitig kupferkaschiertes Epoxid-Glasgewebe-Laminat, 1 mm dick, doppelseitig.

fr4 - wichtige eigenschaften und klassifizierungen

Technisch gesehen haben fr4-Laminate eine Reihe von Schlüsselmerkmalen. Diese umfassen:

• Biege- und Schälfestigkeit sowie Temperaturwechselbeständigkeit;
• stark flammhemmend;
• Volumenwiderstand und Oberflächenwiderstand;
• Dielektrizitätskonstante (Dk) und Verlustfaktor (Verlusttangente);
• Glasübergangstemperatur (Tg);
• Maßhaltigkeit, maximale Einsatztemperatur und Verzug.

Diese Eigenschaften zusammen bestimmen die Leistung von fr4 bei der Leiterplattenherstellung.

andere übliche PCB-Basismaterialien

◉ Platten auf Glasgewebebasis

1. Glasfaserplatten: fr4 und fr5
   In beiden Fällen wird spezielles elektronisches Gewebe verwendet, das mit Epoxidharz (oder Epoxid-Phenolharz) getränkt ist. Anschließend werden sie unter hoher Hitze und Druck ausgehärtet. fr4 ist die meistverwendete Leiterplatte bei der Leiterplattenherstellung. Sie hat gute elektrische Eigenschaften, gute mechanische Festigkeit und Hitzebeständigkeit. Sie wird häufig bei der Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten verwendet.

◉ Papierbasierte Platten
2. Papptafeln: fr-1, fr-2, fr-3
Phenolpapierplatten verwenden Phenolharz als Bindemittel und Holzfasergewebe als Oberflächenverstärkung. Sie werden unter hoher Hitze und Druck hergestellt.

◉ Verbundwerkstoffplatten
3. Zusammengesetzte Platten: CEM-1 und CEM-3
Zu den Verbundplatten gehört die CEM-Serie kupferkaschierter Laminate. CEM-1 verwendet Epoxidpapier als Kern. Bei CEM-3 wird ein Epoxid-Glasvlies als Kern verwendet. Diese CEM-Platten sind leicht zu verarbeiten. Sie zeichnen sich durch gute Ebenheit, Maßhaltigkeit und präzise Dicke aus. Ihre mechanische Festigkeit, ihre dielektrischen Eigenschaften, ihre Wasseraufnahme und ihre Beständigkeit gegen Metallmigration sind besser als bei Papierplatten. CEM-3 kann etwa 80% der mechanischen Festigkeit von fr4 erreichen, kostet aber in der Regel weniger.

◉ Besondere Werkstoffplatten
4. Spezielle Tafeln (zum Beispiel, Keramik und Metall)
Dazu gehören Keramiksubstrate und Metallkernplatten. Sie haben besondere Eigenschaften für Anwendungen, die eine höhere Materialleistung erfordern.

Vorteile und Grenzen von fr4

Seit ich mit dem Design von Leiterplatten begonnen habe, ist fr4 das Standardmaterial für Leiterplatten. Anfangs nannten einige Designer jede Leiterplatte “fr4”, ob sie es nun war oder nicht. fr4 ist ein flammhemmendes, glasfaserverstärktes Epoxidlaminat vom Typ 4. Es ist kostengünstig. Es ist ein guter elektrischer Isolator. Es ist sowohl unter trockenen als auch unter feuchten Bedingungen stabil. Außerdem lässt es sich leicht zu Platten verarbeiten. Aus diesen Gründen wird fr4 häufig für die Herstellung von Leiterplatten verwendet.

fr4 hat Grenzen. Es kann Probleme bekommen, wenn zu viel Strom, Spannung oder Hitze vorhanden ist. Wenn man es über seine Grenzen hinaus belastet, sinken seine dielektrischen Eigenschaften. Das bedeutet, dass das Material seine Isolierung verliert und beginnt zu leiten. Ein weiteres Problem ist die Beibehaltung einer stabilen Impedanz bei Hochgeschwindigkeitsdesigns. Die Dielektrizitätskonstante von fr4 kann über die Länge und Breite der Leiterplatte variieren. Mit zunehmender Designgeschwindigkeit kann der Signalverlust, der bei Low-Speed-Platinen akzeptabel war, bei fr4-Platinen zu hoch werden.

Ist fr4 die beste Wahl für das Design von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten?

Wenn wir ein Projekt außerhalb unserer Komfortzone in Angriff nehmen, lernen wir neue Grenzen kennen. Für mich kam dieser Tag, als mein Chef mich um eine Hochgeschwindigkeitskarte. Ich wusste, dass Hochgeschwindigkeitsdesign Grenzen hat, die wir bei normalen Schaltungen nicht sehen. Zunächst erstellte ich einen Schaltplan, der für hohe Geschwindigkeiten geeignet war. Dann überlegte ich mir, ob ich für den Hochgeschwindigkeits-Prototyp fr4 oder ein spezielleres Material verwenden sollte. Bevor ich mich entscheide, möchte ich darauf hinweisen, dass in diesem Text der Begriff “Hochgeschwindigkeit” für alles verwendet wird, was über 50 MHz. Dies sind die wesentlichen Probleme in diesem Frequenzbereich.

Für Hochgeschwindigkeitsdesigns gelten strengere Regeln für die Signalintegrität. Sie müssen das Routing genau kontrollieren, um diese Regeln zu erfüllen. Aber auch das Leiterplattenmaterial selbst ist Teil der Gleichung für die Signalintegrität. Daher sollte das Material für Hochgeschwindigkeitsleiterplatten eine enge Dk-Toleranz und andere kontrollierte Eigenschaften aufweisen, um die Impedanz zu kontrollieren. Wenn die Impedanz im gesamten Design variiert, reflektieren Hochgeschwindigkeitssignale auf ihrem Weg Energie zurück und das Signal wird verzerrt. Auch ein niedriger Verlusttangens trägt dazu bei, dass das Signal stark bleibt. Schließlich trägt die thermische Stabilität dazu bei, dass sich die dielektrischen Eigenschaften nicht verschlechtern.

wie spezialisierte Hochgeschwindigkeitsmaterialien im Vergleich zu fr4

Spezielle Hochgeschwindigkeitsmaterialien, wie duroplastische Kohlenwasserstofflaminate und PTFE-Laminate, bieten oft eine bessere und zuverlässigere Leistung bei Konstruktionen mit höheren Frequenzen als fr4. Im Folgenden werden einige der wichtigsten Vorteile dieser Materialien aufgeführt:

1. Geringerer Signalverlust. Mit zunehmender Frequenz der Übertragungsleitung steigt der Signalverlust. Hochgeschwindigkeitslaminate haben einen viel geringeren Verlusttangens als fr4. Einige Materialien, wie nahezu reine PTFE-Laminate, sind um eine Größenordnung besser. Ein geringerer Verlusttangens ist ein Schlüsselfaktor für die Reduzierung von Signalverlusten.
2. Strengere Impedanzkontrolle. Herkömmliche Materialien wie fr4 können die Dielektrizitätskonstante (Dk) nicht so genau halten wie Hochgeschwindigkeitsmaterialien. fr4 Dk kann um ±10% oder mehr schwanken. Materialien wie PTFE können Dk innerhalb von etwa ±2% oder besser halten.
3. Besseres Wärmemanagement. Einige Hochgeschwindigkeitslaminate (z. B. duroplastische Kohlenwasserstofflaminate) haben eine viel bessere Wärmeleitfähigkeit als fr4. Wenn Ihr Entwurf mit Wärme umgehen muss, sind diese Laminate eine Untersuchung wert.
4. Geringere Feuchtigkeitsaufnahme. Wasser hat dielektrische Wirkungen. Selbst geringe Feuchtigkeit in einer Leiterplatte kann die elektrische Leistung von Hochfrequenzschaltungen verändern. Obwohl der Text sagt, dass die Feuchtigkeitsaufnahme von fr4 bei 50% liegt, können einige Hochgeschwindigkeitsmaterialien (z. B. einige PTFE-Laminate) eine viel geringere Feuchtigkeitsaufnahme haben, die bei 2% liegt, und dies hilft, ein stabiles elektrisches Verhalten zu erhalten.
5. Stärkere Dimensionsstabilität. Dichte Hochgeschwindigkeits-Layouts erfordern eine strenge Maßkontrolle. fr4 ist für seine gute Maßhaltigkeit bekannt, aber einige Hochgeschwindigkeitsmaterialien bieten eine bessere Gesamtleistung für Designs mit engen Toleranzen. In solchen Fällen können duroplastische Kohlenwasserstoff-Laminate die bessere Wahl sein.