fr4 - definición y significado
fr4 es el código que indica el grado de retardancia a la llama de un laminado epoxi con revestimiento de cobre reforzado con fibra de vidrio. Significa que la resina debe dejar de arder por sí sola tras una ignición. fr4 no es el nombre de un material específico. Es un grado de material utilizado para PCB (placas de circuito impreso).
composición y tipos comunes
Hay muchos tipos de materiales fr4 utilizados en las placas de circuito impreso normales. La mayoría son materiales compuestos hechos de una resina epoxi llamada tetrafuncional, más cargas y fibra de vidrio.
Ejemplo: si una especificación de PCB dice fr4 T:1.0 D/S, significa: grado ignífugo fr4, T:1.0 significa grosor 1.0 mm, D/S significa doble cara. En otras palabras, el material de la placa es un laminado revestido de cobre de doble cara de tela de vidrio epoxi, de 1 mm de grosor, de doble cara.
fr4 - propiedades y clasificaciones clave
Técnicamente, los laminados fr4 tienen una serie de especificaciones clave. Entre ellas:
- resistencia a la flexión y al pelado, y comportamiento frente al choque térmico;
- fuerte retardancia a la llama;
- resistividad volumétrica y resistividad superficial;
- constante dieléctrica (Dk) y factor de disipación (tangente de pérdida);
- temperatura de transición vítrea (Tg);
- estabilidad dimensional, temperatura máxima de uso y alabeo.
El conjunto de estas propiedades define el rendimiento del fr4 en la fabricación de placas de circuito impreso.
otros materiales comunes de base para PCB
◉ Placas a base de tela de vidrio
- Tableros de tela de vidrio: fr4 y fr5
Ambas utilizan un tejido electrónico especial empapado en resina epoxi (o epoxi-fenólica). A continuación, se curan a alta temperatura y presión. El fr4 es el tablero más utilizado en la fabricación de PCB. Tiene buenas propiedades eléctricas, buena resistencia mecánica y resistencia al calor. Se utiliza mucho en la fabricación de PCB multicapa.
◉ Tableros de papel
2. Cartones: fr-1, fr-2, fr-3
Los tableros de papel fenólico utilizan resina fenólica como aglutinante y tela de fibra de pulpa de madera como refuerzo superficial. Se fabrican a alta temperatura y presión.
Tableros compuestos
3. Tableros compuestos: CEM-1 y CEM-3
Las placas de material compuesto incluyen la serie CEM de laminados revestidos de cobre. CEM-1 utiliza papel epoxi como núcleo. CEM-3 utiliza tejido no tejido de vidrio epoxídico como núcleo. Estas placas CEM son fáciles de procesar. Tienen buena planitud, estabilidad dimensional y un grosor preciso. Su resistencia mecánica, propiedades dieléctricas, absorción de agua y resistencia a la migración de metales son mejores que las de las placas de papel. En particular, el CEM-3 puede alcanzar aproximadamente 80% de la resistencia mecánica del fr4, pero suele costar menos.
◉ Tableros de materiales especiales
4. Tableros especiales (por ejemplo, cerámica y metal)
Entre ellos se encuentran los sustratos cerámicos y las placas con núcleo metálico. Tienen propiedades especiales para aplicaciones que necesitan un mayor rendimiento del material.
ventajas y límites del fr4
Desde que empecé a diseñar placas de circuito impreso, el fr4 ha sido el material estándar de las placas. Al principio, algunos diseñadores llamaban “fr4” a todas las placas, lo fueran o no. El fr4 es un laminado epoxi ignífugo de tipo 4 reforzado con fibra de vidrio. Es rentable. Es un buen aislante eléctrico. Es resistente tanto en condiciones secas como húmedas. Además, es fácil de fabricar. Por estas razones, el fr4 es una elección habitual para la fabricación de placas de circuito impreso.
El fr4 tiene límites. Puede tener problemas cuando hay demasiada potencia, tensión o calor. Si lo llevas más allá de sus límites, sus propiedades dieléctricas disminuirán. Eso significa que el material perderá aislamiento y empezará a conducir. Otro problema es mantener una impedancia estable en diseños de alta velocidad. La constante dieléctrica del fr4 puede variar a lo largo y ancho de la placa. A medida que aumentan las velocidades de diseño, la pérdida de señal que era aceptable en placas de baja velocidad puede llegar a ser demasiado alta en placas fr4.
¿es fr4 la mejor opción para el diseño de placas de circuito impreso de alta velocidad?
Cuando emprendemos un proyecto fuera de nuestra zona de confort, aprendemos nuevos límites. Para mí, ese día llegó cuando mi jefe me pidió un placa de alta velocidad. Sabía que el diseño de alta velocidad conlleva límites que no vemos en los circuitos normales. Primero hice un esquema adecuado para la alta velocidad. Luego me centré en si el prototipo de alta velocidad debía utilizar fr4 o un material más especializado. Antes de elegir, hay que tener en cuenta que en este texto se utiliza “alta velocidad” para cualquier cosa por encima de 50 MHz. Estas son las preocupaciones materiales en esa gama de frecuencias.
Los diseños de alta velocidad tienen reglas más estrictas para la integridad de la señal. Para cumplirlas, hay que controlar minuciosamente el encaminamiento. Pero el propio material de la placa forma parte de la ecuación de integridad de la señal. Por lo tanto, el material de las placas de alta velocidad debe tener una tolerancia Dk ajustada y otras propiedades controladas para ayudar a controlar la impedancia. Si la impedancia varía en el diseño, las señales de alta velocidad reflejarán la energía en su recorrido y la señal se distorsionará. Además, una tangente de pérdida baja ayuda a mantener la intensidad de la señal. Por último, la estabilidad térmica ayuda a garantizar que las propiedades dieléctricas no se descompongan.
comparación de los materiales especializados de alta velocidad con el fr4
Los materiales especiales de alta velocidad, como los laminados de hidrocarburos termoestables y los laminados de PTFE, suelen ofrecer un rendimiento mejor y más fiable que el fr4 en diseños de alta frecuencia. A continuación se indican algunas ventajas clave de estos materiales:
- Reducción de la pérdida de señal. A medida que aumenta la frecuencia de la línea de transmisión, crece la pérdida de señal. Los laminados de alta velocidad tienen una tangente de pérdida mucho menor que el fr4. Algunos materiales, como los laminados de PTFE casi puro, son un orden de magnitud mejores. Una tangente de pérdida más baja es un factor clave para reducir la pérdida de señal.
- Mayor control de la impedancia. Los materiales tradicionales como el fr4 no pueden mantener la constante dieléctrica (Dk) tan ajustada como los materiales de alta velocidad. La Dk del fr4 puede variar en ±10% o más. Materiales como el PTFE pueden mantener Dk dentro de ±2% o mejor.
- Mejor gestión térmica. Algunos laminados de alta velocidad (por ejemplo, los laminados de hidrocarburos termoestables) tienen una conductividad térmica mucho mejor que el fr4. Si su diseño necesita gestionar el calor, merece la pena estudiar estos laminados.
- Menor absorción de humedad. El agua tiene efectos dieléctricos. Incluso una pequeña humedad en un circuito impreso puede alterar el rendimiento eléctrico de los circuitos de alta frecuencia. Aunque el texto dice que la absorción de humedad del fr4 es cercana a 50%, algunos materiales de alta velocidad (por ejemplo algunos laminados de PTFE) pueden tener una absorción de humedad mucho menor, cercana a 2%, y esto ayuda a mantener un comportamiento eléctrico estable.
- Mayor estabilidad dimensional. Los diseños densos y de alta velocidad necesitan un control dimensional estricto. El fr4 es conocido por su buena estabilidad dimensional, pero algunos materiales de alta velocidad ofrecen un mejor rendimiento general para diseños de tolerancia estricta. En tales casos, los laminados de hidrocarburos termoestables pueden ser una mejor opción.
