FR4 — تعریف و معنی
FR4 کد درجهبندی ضدحریق لمینت اپوکسی تقویتشده با الیاف شیشهای با روکش مسی است. این بدان معناست که رزین پس از آتشگرفتن باید بهطور خودجوش سوختن را متوقف کند. FR4 نام یک مادهٔ خاص نیست. این یک درجهٔ مواد است که برای بردهای مدار چاپی (PCB) استفاده میشود.
ترکیب و انواع رایج
در PCBهای معمولی از انواع مختلفی از مواد FR4 استفاده میشود. بیشتر آنها مواد مرکبی هستند که از رزین اپوکسی چهارکاره بهاصطلاح، همراه با پرکنندهها و الیاف شیشهای ساخته شدهاند.
مثال: اگر یک مشخصات PCB چنین باشد FR4 T:1.0 D/S, ، یعنی: درجهٔ FR4 ضدحریق، T:1.0 به معنای ضخامت 1.0 میلیمتر، D/S به معنای دو رو. به عبارت دیگر، جنس برد یک لامینیت دو رو از پارچه شیشهای اپوکسی با روکش مسی به ضخامت 1.0 میلیمتر است.
FR4 — خواص کلیدی و طبقهبندیها
از نظر فنی، لمینتهای FR4 دارای مجموعهای از مشخصات کلیدی هستند. این مشخصات شامل موارد زیر است:
- مقاومت خمشی و مقاومت لایهبرداری، و عملکرد در برابر شوک حرارتی؛;
- مقاومت شدید در برابر شعله؛;
- مقاومت ویژه حجمی و مقاومت ویژه سطحی؛;
- ثابت دیالکتریک (Dk) و ضریب تلفات (تانسورگ تلفات)؛;
- دمای انتقال شیشهای (Tg)؛;
- پایداری ابعادی، حداکثر دمای استفاده، و تابخوردگی.
این ویژگیها در مجموع عملکرد FR4 را در ساخت PCB تعریف میکنند.
سایر مواد پایه رایج PCB
◉ بردهای مبتنی بر پارچه شیشهای
- تختههای پارچه شیشهای: FR4 و FR5
هر دو از پارچهٔ الکترونیکی ویژهای که در رزین اپوکسی (یا اپوکسی-فنولیک) آغشته شده است استفاده میکنند. سپس تحت حرارت و فشار بالا پخته میشوند. FR4 پرکاربردترین برد در ساخت PCB است. این برد دارای خواص الکتریکی خوب، استحکام مکانیکی مناسب و مقاومت حرارتی است. در تولید PCB چندلایه بهطور گسترده استفاده میشود.
◉ تابلوهای کاغذی
۲. مقواها: fr-1، fr-2، fr-3
تختههای کاغذی فنولی از رزین فنولیک بهعنوان چسب و پارچهٔ الیاف پالپ چوب بهعنوان تقویت سطح استفاده میکنند. این تختهها تحت حرارت و فشار بالا ساخته میشوند.
◉ تخته های کامپوزیت
۳. تخته های کامپوزیت: CEM-1 و CEM-3
بردهای کامپوزیتی شامل سری CEM از لمینتهای روکشدار مسی هستند. CEM-1 از کاغذ اپوکسی به عنوان هسته استفاده میکند. CEM-3 از پارچه نمدی شیشهای اپوکسی به عنوان هسته استفاده میکند. این بردهای CEM به راحتی قابل پردازش هستند. آنها دارای صافی خوب، پایداری ابعادی و ضخامت دقیق هستند. استحکام مکانیکی، خواص دیالکتریک، جذب آب و مقاومت در برابر مهاجرت فلز آنها همگی بهتر از بردهای کاغذی هستند. شایان ذکر است که CEM-3 میتواند به حدود ۸۰٪ از استحکام مکانیکی FR4 برسد اما معمولاً هزینه کمتری دارد.
◉ تابلوهای مواد ویژه
۴. هیئتهای ویژه (برای مثال،, سرامیک و فلز)
اینها شامل زیرلایههای سرامیکی و بردهای با هسته فلزی هستند. آنها دارای خواص ویژهای برای کاربردهایی هستند که به عملکرد بالاتری از مواد نیاز دارند.
مزایا و محدودیتهای FR4
از وقتی طراحی PCB را شروع کردم، FR4 مادهٔ استاندارد برد بوده است. در ابتدا، برخی طراحان هر بردی را “fr4” مینامیدند، چه واقعاً باشد چه نباشد. fr4 یک لامینیت اپوکسی تقویتشده با الیاف شیشهای نوع ۴ با خاصیت ضدحریق است. این ماده مقرونبهصرفه است. عایق الکتریکی خوبی است. در شرایط خشک و مرطوب مقاوم است. همچنین بهراحتی قابل تبدیل به برد است. به همین دلایل، fr4 انتخاب رایجی برای ساخت PCBها است.
FR4 محدودیتهایی دارد. وقتی قدرت، ولتاژ یا گرمای زیادی وجود داشته باشد، ممکن است با مشکل مواجه شود. اگر آن را فراتر از محدودیتهایش فشار دهید، خواص دیالکتریک آن کاهش مییابد. این بدان معناست که ماده عایق بودن خود را از دست داده و شروع به رسانایی میکند. مسئلهٔ دیگر حفظ امپدانس پایدار در طراحیهای پرسرعت است. ثابت دیالکتریک fr4 میتواند در طول و عرض برد متغیر باشد. با افزایش سرعت طراحی، اتلاف سیگنال که در بردهای کمسرعت قابل قبول بود، در بردهای fr4 میتواند بیش از حد شود.
آیا FR4 بهترین انتخاب برای طراحی PCB با سرعت بالا است؟
وقتی پروژهای را خارج از محدوده آسایش خود میپذیریم، محدودیتهای جدیدی را میآموزیم. برای من، آن روز وقتی فرا رسید که رئیسام درخواست کرد برای برد پرسرعت. من میدانستم طراحی با سرعت بالا محدودیتهایی را به همراه دارد که در مدارهای معمولی نمیبینیم. ابتدا شماتیک را برای سرعت بالا مناسبسازی کردم. سپس تمرکز کردم که آیا نمونهی اولیه با سرعت بالا باید از FR4 استفاده کند یا از مادهی تخصصیتر. قبل از انتخاب، توجه داشته باشید که این متن از “سرعت بالا” برای هر چیزی بالاتر از ۵۰ مگاهرتز. اینها دغدغههای مادی در آن بازهٔ فرکانسی هستند.
طراحیهای با سرعت بالا قوانین سختگیرانهتری برای یکپارچگی سیگنال دارند. شما باید مسیریابی را به دقت کنترل کنید تا به این قوانین پایبند باشید. اما خودِ جنس برد نیز بخشی از معادله یکپارچگی سیگنال است. بنابراین جنس بردهای با سرعت بالا باید دارای تلرانس Dk کم و سایر خواص کنترلشده باشد تا به کنترل امپدانس کمک کند. اگر امپدانس در سراسر طراحی متغیر باشد، سیگنالهای با سرعت بالا در حین حرکت انرژی را بازتاب میدهند و سیگنال دچار اعوجاج میشود. همچنین، تانژانت تلفات کم به قوی ماندن سیگنال کمک میکند. در نهایت، پایداری حرارتی کمک میکند تا خواص دیالکتریک از بین نروند.
مواد تخصصی با سرعت بالا چگونه با FR4 مقایسه میشوند؟
مواد ویژه با سرعت بالا، مانند لمینتهای هیدروکربنی ترموست و لمینتهای PTFE، اغلب در طراحیهای فرکانس بالاتر عملکردی بهتر و قابلاعتمادتر نسبت به FR4 ارائه میدهند. در زیر برخی از مزایای کلیدی این مواد آورده شده است:
- کاهش افت سیگنال. با افزایش فرکانس خط انتقال، تلفات سیگنال افزایش مییابد. لامینیتهای با سرعت بالا ضریب اتلاف بسیار کمتری نسبت به FR4 دارند. برخی مواد، مانند لامینیتهای PTFE تقریباً خالص، یک مرتبه بزرگ بهتر عمل میکنند. ضریب اتلاف پایینتر عامل کلیدی در کاهش تلفات سیگنال است.
- کنترل تنگتر امپدانس. مواد سنتی مانند FR4 نمیتوانند ثابت دیالکتریک (Dk) را به اندازهٔ مواد با سرعت بالا بهطور دقیق حفظ کنند. ثابت دیالکتریک FR4 میتواند تا ±۱۰٪ یا بیشتر تغییر کند. موادی مانند PTFE میتوانند ثابت دیالکتریک را در حدود ±۲٪ یا کمتر نگه دارند.
- مدیریت حرارتی بهتر. برخی از لمینتهای با سرعت بالا (برای مثال لمینتهای هیدروکربنی ترموست) رسانایی حرارتی بسیار بهتری نسبت به FR4 دارند. اگر طراحی شما نیاز به مدیریت حرارت دارد، ارزش دارد این لمینتها را بررسی کنید.
- کاهش جذب رطوبت. آب اثرات دیالکتریک دارد. حتی رطوبت اندک در یک برد مدار چاپی (PCB) میتواند عملکرد الکتریکی مدارهای فرکانس بالا را تغییر دهد. اگرچه متن میگوید جذب رطوبت FR4 نزدیک به ۵۰۱TP3T است، برخی مواد با سرعت بالا (برای مثال برخی لمینتهای PTFE) میتوانند جذب رطوبت بسیار کمتری، نزدیک به ۲۱TP3T، داشته باشند و این به حفظ رفتار الکتریکی پایدار کمک میکند.
- Stronger dimensional stability. Dense, high-speed layouts need tight dimensional control. fr4 is known for good dimensional stability, but some high-speed materials offer better overall performance for strict tolerance designs. In such cases, thermoset hydrocarbon laminates may be a better choice.
