FR4 - 정의 및 의미
fr4는 유리 섬유 강화 에폭시 구리 클래드 라미네이트의 난연성 등급을 나타내는 코드입니다. 이는 수지가 발화된 후 스스로 연소를 멈춰야 함을 의미합니다. fr4는 특정 재료의 이름이 아닙니다. PCB(인쇄 회로 기판)에 사용되는 재료 등급입니다.
구성 및 일반적인 유형
일반 PCB에 사용되는 FR4 소재에는 여러 종류가 있습니다. 대부분은 소위 4중 기능성 에폭시 수지와 필러 및 유리 섬유로 만든 복합 재료입니다.
예: PCB 사양이 다음과 같은 경우 fr4 T:1.0 D/S, FR4 난연 등급, T:1.0은 두께 1.0mm, D/S는 양면을 의미합니다. 즉, 보드 재질은 에폭시 유리 천 양면 구리 클래드 라미네이트, 두께 1mm, 양면입니다.
FR4 - 주요 속성 및 분류
기술적으로 FR4 라미네이트에는 몇 가지 주요 사양이 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:
- 굴곡 강도 및 박리 강도, 열충격 성능;
- 강력한 난연성;
- 체적 저항률 및 표면 저항률;
- 유전 상수(Dk) 및 손실 계수(손실 탄젠트);
- 유리 전이 온도(Tg);
- 치수 안정성, 최대 사용 온도 및 뒤틀림.
이러한 속성은 PCB 제작에서 fr4 성능을 정의합니다.
기타 일반적인 PCB 기본 재료
유리 천 기반 보드
- 유리 천 보드: FR4 및 FR5
둘 다 에폭시(또는 에폭시-페놀) 수지에 적신 특수 전자 원단을 사용합니다. 그런 다음 고열과 압력으로 경화시킵니다. fr4는 PCB 제작에 가장 많이 사용되는 기판입니다. 전기적 특성, 기계적 강도 및 내열성이 우수합니다. 다층 PCB 생산에 널리 사용됩니다.
종이 기반 보드
2. 종이 보드: FR-1, FR-2, FR-3
페놀 종이 보드는 페놀 수지를 바인더로 사용하고 목재 펄프 섬유 천을 표면 보강재로 사용합니다. 높은 열과 압력으로 만들어집니다.
복합 보드
3. 복합 보드: CEM-1 및 CEM-3
복합 보드에는 구리 피복 라미네이트의 CEM 시리즈가 있습니다. CEM-1은 에폭시 종이를 코어로 사용합니다. CEM-3은 에폭시 유리 부직포를 코어로 사용합니다. 이러한 CEM 보드는 가공이 쉽습니다. 평탄도, 치수 안정성 및 정밀한 두께가 우수합니다. 기계적 강도, 유전 특성, 수분 흡수 및 금속 이동에 대한 저항성이 모두 종이 보드보다 우수합니다. 특히 CEM-3는 fr4의 기계적 강도에 약 80%에 도달할 수 있지만 일반적으로 비용이 더 저렴합니다.
특수 소재 보드
4. 특수 보드(예, 세라믹 및 금속)
여기에는 세라믹 기판과 금속 코어 보드가 포함됩니다. 이들은 더 높은 소재 성능이 필요한 애플리케이션을 위한 특별한 특성을 가지고 있습니다.
FR4의 장점과 한계
제가 PCB를 설계하기 시작한 이래로 fr4는 표준 보드 재료였습니다. 처음에는 일부 설계자들이 모든 기판을 “fr4”라고 불렀습니다. fr4는 난연성, 타입 4, 유리 섬유 강화 에폭시 라미네이트입니다. 비용 효율적입니다. 좋은 전기 절연체입니다. 건조하고 습한 조건 모두에서 강합니다. 또한 보드로 쉽게 만들 수 있습니다. 이러한 이유로 FR4는 PCB를 제작할 때 일반적으로 선택됩니다.
FR4에는 한계가 있습니다. 전력, 전압 또는 열이 너무 많으면 문제가 발생할 수 있습니다. 한계를 넘어서면 유전체 특성이 떨어집니다. 즉, 재료가 절연성을 잃고 전도되기 시작합니다. 또 다른 문제는 고속 설계에서 안정적인 임피던스를 유지하는 것입니다. FR4의 유전 상수는 보드 길이와 폭에 따라 달라질 수 있습니다. 설계 속도가 증가함에 따라 저속 보드에서는 허용 가능했던 신호 손실이 fr4 보드에서는 너무 높아질 수 있습니다.
고속 PCB 설계를 위한 최고의 선택은 FR4인가요?
안전지대를 벗어난 프로젝트에 도전할 때 우리는 새로운 한계를 배우게 됩니다. 저에게 그날은 상사로부터 고속 보드. 고속 설계는 일반 회로에서는 볼 수 없는 한계를 가져온다는 것을 알고 있었습니다. 먼저 고속에 적합한 회로도를 만들었습니다. 그런 다음 고속 프로토타입에 fr4를 사용할지, 아니면 더 특수한 재료를 사용할지 고민했습니다. 선택하기 전에 이 텍스트에서는 다음 항목에 “고속'을 사용한다는 점에 유의하세요. 50 MHz. 이것이 해당 주파수 범위에서 중요한 문제입니다.
고속 설계에는 신호 무결성에 대한 더 엄격한 규칙이 적용됩니다. 이러한 규칙을 충족하려면 라우팅을 면밀히 제어해야 합니다. 하지만 보드 재료 자체도 신호 무결성 방정식의 일부입니다. 따라서 고속 보드의 재료는 임피던스 제어에 도움이 되는 엄격한 Dk 허용 오차 및 기타 제어 속성을 가져야 합니다. 임피던스가 설계에 따라 달라지면 고속 신호가 이동하면서 에너지를 반사하고 신호가 왜곡됩니다. 또한 저손실 탄젠트는 신호를 강하게 유지하는 데 도움이 됩니다. 마지막으로 열 안정성은 유전체 특성이 고장 나지 않도록 도와줍니다.
특수 고속 재료가 FR4와 비교하는 방법
열경화성 탄화수소 라미네이트 및 PTFE 라미네이트와 같은 특수 고속 소재는 종종 fr4보다 고주파 설계에서 더 우수하고 안정적인 성능을 제공합니다. 다음은 이러한 소재의 몇 가지 주요 이점입니다:
- 신호 손실 감소. 전송선로 주파수가 높아질수록 신호 손실이 증가합니다. 고속 라미네이트는 fr4보다 탄젠트 손실이 훨씬 낮습니다. 순도에 가까운 PTFE 라미네이트와 같은 일부 재료는 훨씬 더 우수합니다. 낮은 손실 탄젠트는 신호 손실을 줄이는 데 핵심적인 요소입니다.
- 더 엄격한 임피던스 제어. fr4와 같은 기존 소재는 고속 소재만큼 유전 상수(Dk)를 엄격하게 유지할 수 없습니다. fr4 Dk는 ±10% 이상 변동될 수 있습니다. PTFE와 같은 소재는 Dk를 약 ±2% 이상으로 유지할 수 있습니다.
- 열 관리 개선. 일부 고속 라미네이트(예: 열경화성 탄화수소 라미네이트)는 fr4보다 열전도율이 훨씬 우수합니다. 디자인에 열 관리가 필요한 경우 이러한 라미네이트를 연구해 볼 가치가 있습니다.
- 수분 흡수율을 낮춥니다. 물은 유전체 효과가 있습니다. PCB에 작은 수분만 있어도 고주파 회로의 전기적 성능이 달라질 수 있습니다. 텍스트에는 fr4의 수분 흡수율이 50%에 가깝다고 나와 있지만, 일부 고속 재료(예: 일부 PTFE 라미네이트)는 2%에 가까운 훨씬 낮은 수분 흡수율을 가질 수 있으며, 이는 안정적인 전기적 동작을 유지하는 데 도움이 됩니다.
- 더욱 강력한 치수 안정성. 고밀도 고속 레이아웃에는 엄격한 치수 제어가 필요합니다. FR4는 치수 안정성이 우수한 것으로 알려져 있지만, 일부 고속 소재는 엄격한 공차 설계에 더 나은 전반적인 성능을 제공합니다. 이러한 경우 열경화성 탄화수소 라미네이트가 더 나은 선택이 될 수 있습니다.
