fr4 - määritelmä ja merkitys
fr4 on koodi lasikuituvahvisteisen epoksikuparilla päällystetyn laminaatin palonkestävyysluokitukselle. Se tarkoittaa, että hartsin on lopetettava palaminen itsestään sytytyksen jälkeen. fr4 ei ole tietyn materiaalin nimi. Se on PCB-levyissä (painetut piirilevyt) käytetty materiaaliluokka.
koostumus ja yleiset tyypit
Tavallisissa piirilevyissä käytetään monenlaisia fr4-materiaaleja. Useimmat ovat komposiittimateriaaleja, jotka on valmistettu niin sanotusta tetrafunktionaalisesta epoksihartsista sekä täyteaineista ja lasikuidusta.
Esimerkki: jos piirilevyn spekseissä lukee fr4 T:1.0 D/S, se tarkoittaa: fr4 paloturvallinen luokka, T:1.0 tarkoittaa paksuus 1.0 mm, D/S tarkoittaa kaksipuolinen. Toisin sanoen levymateriaali on epoksilasi-kangas kaksipuoleinen kuparipinnoitettu laminaatti, 1 mm paksu, kaksipuolinen.
fr4 - tärkeimmät ominaisuudet ja luokitukset
Teknisesti fr4-laminaateilla on joukko keskeisiä ominaisuuksia. Näitä ovat mm:
- taivutuslujuus ja kuorintalujuus sekä lämpöshokkisuorituskyky;
- voimakas palonesto;
- tilavuusresistiivisyys ja pintaresistiivisyys;
- dielektrisyysvakio (Dk) ja häviökerroin (häviötangentti);
- lasittumislämpötila (Tg);
- mittapysyvyys, enimmäiskäyttölämpötila ja vääntyminen.
Nämä ominaisuudet yhdessä määrittelevät fr4:n suorituskyvyn piirilevyjen valmistuksessa.
muut yleiset PCB-perusmateriaalit
◉ Lasikangaspohjaiset levyt
- Lasikangaslevyt: fr4 ja fr5
Molemmissa käytetään erityistä elektronista kangasta, joka on kastettu epoksihartsilla (tai epoksifenolihartsilla). Sitten ne kovetetaan korkeassa lämmössä ja paineessa. fr4 on piirilevyjen valmistuksessa eniten käytetty levy. Sillä on hyvät sähköiset ominaisuudet, hyvä mekaaninen lujuus ja lämmönkestävyys. Sitä käytetään laajalti monikerroksisten piirilevyjen valmistuksessa.
◉ Paperipohjaiset levyt
2. Paperikartongit: fr-1, fr-2, fr-3.
Fenolipaperilevyissä käytetään fenolihartsia sideaineena ja puumassasta valmistettua kuitukangasta pinnanvahvistuksena. Ne valmistetaan korkeassa kuumuudessa ja paineessa.
◉ Komposiittilevyt
3. Komposiittilevyt: CEM-1 ja CEM-3
Komposiittilevyihin kuuluu CEM-sarjan kuparipäällysteiset laminaatit. CEM-1:ssä käytetään ytimenä epoksipaperia. CEM-3:ssa käytetään ytimenä epoksilasikuitukangasta. Näitä CEM-levyjä on helppo käsitellä. Niillä on hyvä litteys, mittapysyvyys ja tarkka paksuus. Niiden mekaaninen lujuus, dielektriset ominaisuudet, veden imeytyminen ja metallien siirtymisen kestävyys ovat kaikki parempia kuin paperilevyjen. CEM-3-levyillä voidaan saavuttaa noin 80% fr4:n mekaaninen lujuus, mutta ne ovat yleensä halvempia.
◉ Erikoismateriaalilevyt
4. Erityislevyt (esim, keramiikka ja metalli)
Näihin kuuluvat keraamiset alustat ja metalliydinlevyt. Niillä on erityisominaisuuksia sovelluksia varten, joissa tarvitaan korkeampaa materiaalin suorituskykyä.
fr4:n edut ja rajoitukset
Siitä lähtien, kun aloitin piirilevyjen suunnittelun, fr4 on ollut standardi levymateriaali. Aluksi jotkut suunnittelijat kutsuivat jokaista levyä “fr4:ksi”, oli se sitten sitä tai ei. fr4 on paloturvallinen, tyypin 4 lasikuituvahvisteinen epoksilaminaatti. Se on kustannustehokas. Se on hyvä sähköeriste. Se on luja sekä kuivissa että kosteissa olosuhteissa. Se on myös helppo valmistaa levyiksi. Näistä syistä fr4 on yleinen valinta piirilevyjen rakentamiseen.
fr4:llä on rajansa. Se voi joutua ongelmiin, kun tehoa, jännitettä tai lämpöä on liikaa. Jos sitä käytetään yli sen rajojen, sen dielektriset ominaisuudet heikkenevät. Se tarkoittaa, että materiaali menettää eristävyytensä ja alkaa johtaa. Toinen ongelma on vakaan impedanssin säilyttäminen nopeissa malleissa. fr4:n dielektrisyysvakio voi vaihdella levyn pituuden ja leveyden mukaan. Suunnittelunopeuksien kasvaessa signaalihäviöt, jotka olivat hyväksyttäviä matalanopeuslevyissä, voivat muuttua liian suuriksi fr4-levyissä.
onko fr4 paras valinta nopeaan PCB-suunnitteluun?
Kun ryhdymme projektiin mukavuusalueemme ulkopuolella, opimme uusia rajoja. Minulle se päivä koitti, kun pomoni pyysi minulta erästä nopeakäyntinen piirilevy. Tiesin, että suurnopeussuunnittelussa on rajoja, joita emme näe tavallisissa piireissä. Ensin tein kaavion, joka soveltuu suurelle nopeudelle. Sitten keskityin siihen, pitäisikö suurnopeusprototyypissä käyttää fr4:ää vai jotakin erikoisempaa materiaalia. Ennen kuin valitset, huomaa, että tässä tekstissä “suurnopeus” tarkoittaa kaikkea yli 50 MHz. Nämä ovat olennaisia huolenaiheita kyseisellä taajuusalueella.
Suurnopeussuunnittelussa on tiukemmat säännöt signaalin eheyden suhteen. Reititystä on valvottava tarkasti, jotta nämä säännöt täyttyvät. Levymateriaali itsessään on kuitenkin osa signaalien eheyden yhtälöä. Nopeiden piirilevyjen materiaalissa on siis oltava tiukka Dk-toleranssi ja muita kontrolloituja ominaisuuksia impedanssin hallitsemiseksi. Jos impedanssi vaihtelee koko suunnittelussa, nopeat signaalit heijastavat energiaa takaisin kulkiessaan ja signaali vääristyy. Myös alhainen häviötangentti auttaa pitämään signaalin vahvana. Lopuksi lämpöstabiilisuus auttaa varmistamaan, että dielektriset ominaisuudet eivät hajoa.
miten erikoisvalmisteiset suurnopeusmateriaalit ovat verrattavissa fr4:ään?
Erityiset suurnopeusmateriaalit, kuten kestomuoviset hiilivetylaminaatit ja PTFE-laminaatit, tuottavat usein paremman ja luotettavamman suorituskyvyn korkeammilla taajuuksilla toimivissa rakenteissa kuin fr4. Alla on lueteltu joitakin näiden materiaalien keskeisiä etuja:
- Vähentää signaalihäviötä. Siirtolinjan taajuuden kasvaessa signaalin häviö kasvaa. Suurnopeuslaminaateilla on paljon pienempi häviötangentti kuin fr4:llä. Jotkin materiaalit, kuten lähes puhtaat PTFE-laminaatit, ovat kertaluokkaa parempia. Pienempi häviötangentti on keskeinen tekijä signaalihäviöiden vähentämisessä.
- Tiukempi impedanssin säätö. Perinteiset materiaalit, kuten fr4, eivät pysty pitämään dielektrisyysvakiota (Dk) yhtä tiukasti kuin nopeat materiaalit. fr4:n Dk voi vaihdella ±10% tai enemmän. PTFE:n kaltaiset materiaalit pystyvät pitämään Dk:n noin ±2%:n sisällä tai paremmin.
- Parempi lämmönhallinta. Joidenkin suurnopeuslaminaattien (esimerkiksi kestomuovattujen hiilivetylaminaattien) lämmönjohtavuus on paljon parempi kuin fr4:n. Jos suunnittelussasi on hallittava lämpöä, näitä laminaatteja kannattaa tutkia.
- Alhaisempi kosteuden imeytyminen. Vedellä on dielektrisiä vaikutuksia. Pienikin kosteus piirilevyssä voi muuttaa suurtaajuuspiirien sähköistä suorituskykyä. Vaikka tekstissä sanotaan, että fr4-kosteuden imeytyminen on lähellä 50%, joillakin suurnopeusmateriaaleilla (esimerkiksi joillakin PTFE-laminaateilla) kosteuden imeytyminen voi olla paljon alhaisempi, lähellä 2%, ja tämä auttaa säilyttämään vakaan sähköisen käyttäytymisen.
- Vahvempi mittapysyvyys. Tiheät, nopeat layoutit vaativat tiukkaa mittojen hallintaa. fr4 on tunnettu hyvästä mittojen vakaudesta, mutta jotkin nopeat materiaalit tarjoavat paremman kokonaissuorituskyvyn tiukkojen toleranssien suunnittelussa. Tällaisissa tapauksissa kestomuoviset hiilivetylaminaatit voivat olla parempi valinta.
