FR-4 is het meest voorkomende materiaal dat wordt gebruikt voor printplaten, samengesteld uit glasvezel en epoxyhars. Het is sterk, lichtgewicht en biedt een goede isolatie, waardoor het het meest geschikt is voor veel elektronica. In dit artikel worden de structuur, eigenschappen, kwaliteiten, beperkingen en ontwerpfactoren van FR-4 uitgelegd en wordt gedetailleerde informatie gegeven over wanneer en hoe het moet worden gebruikt.
FR-4 Overzicht
FR-4 is het meest voorkomende materiaal dat wordt gebruikt om printplaten (PCB's) te maken. Het is gemaakt van glasvezel en epoxyhars, waardoor het zowel sterk als goed is in het isoleren van elektriciteit. De FR betekent vlamvertragend, wat betekent dat het bestand is tegen verbranding, maar dit betekent niet altijd dat het voldoet aan de strikte UL 94 V-0 brandveiligheidsnorm.
Dit materiaal is populair omdat het lichtgewicht, duurzaam en betaalbaar is. Het is ook goed bestand tegen vocht en hitte, waardoor elektronische circuits stabiel blijven. Een andere reden waarom FR-4 wordt gebruikt, is dat het gemakkelijk kan worden gevormd tot enkellaagse of meerlaagse platen zonder veel kosten toe te voegen.
Fr-4 laminaatstructuur
Deze afbeelding toont de gelaagde structuur van een FR-4 laminaat; het meest voorkomende materiaal dat wordt gebruikt in printplaten (PCB's). Aan de boven- en onderkant vormen koperfolievellen de geleidende lagen die later in circuitpatronen worden geëtst. Tussen deze koperen platen ligt de kern: geweven glasweefsel geïmpregneerd met epoxyhars. Het glasweefsel zorgt voor mechanische sterkte en maatvastheid, terwijl de epoxy de vezels bindt en stijfheid toevoegt. Samen vormen ze een isolerende en toch duurzame basis. De combinatie van koperfolie, glasvezel en epoxy maakt FR-4 sterk, vlamwerend en ideaal voor het ondersteunen en beschermen van PCB-sporen.
Elektrische eigenschappen van fr-4
| Parameter | FR-4 Bereik |
|---|---|
| Diëlektrische constante (Dk) | 3,8 – 4,8 |
| Dissipatiefactor (Df) | \~0.018 – 0.022 |
| Diëlektrische sterkte | >50 kV/mm |
| Stabiliteit | Varieert met frequentie en glasweefsel |
Thermische eigenschappen van fr-4
| Eigendom | Standaard FR-4 | Hoogwaardige FR-4 |
|---|---|---|
| Glas Overgangstemperatuur (Tg) | 130–150 °C | ≥180 °C |
| Ontledingstemperatuur (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Tijd tot delaminatie (T260 / T288) | Lagere weerstand | Hogere weerstand |
FR-4 dikte- en stapelopties
| Dikte / Type | Voordelen | Beperkingen | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Dun (<0,5 mm) | Lichtgewicht, compact en flexibel te maken | Breekbaar, moeilijker te hanteren tijdens de montage | Standaard (1,6 mm) | Industriestandaard, algemeen verkrijgbaar, kosteneffectief | Kan ultracompacte ontwerpen of ontwerpen met een hoge dichtheid beperken | Dik (>2 mm) | Zorgt voor stijfheid en betere weerstand tegen trillingen | Verhoogt het totale gewicht en de kosten |
| Aangepaste meerlaagse stapelingen | Maakt impedantieregeling mogelijk, ondersteunt hogesnelheidssignalen en verbetert de EMI-afscherming | Vereist nauwkeurige fabricageprocessen, duurder |
Het gebruiken fr-4 voor PCB-Ontwerp
• Consumentenelektronica - Het biedt een stabiel basismateriaal dat geschikt is voor dagelijks gebruik en basisstroombehoeften.
• Industriële besturingen en automatisering - FR-4 biedt stabiele prestaties in systemen die duurzaamheid en consistente functionaliteit in de loop van de tijd nodig hebben.
• Voedingen en converters - Voor circuits die onder zeer hoge frequenties werken, levert de FR-4 isolatie en prestaties die aan de eisen voldoen.
• Kostengevoelige ontwerpen - Wanneer budgetten ertoe doen, stelt FR-4 u in staat om de productiekosten lager te houden zonder de betrouwbaarheid op te geven.
Limieten van FR-4 en betere alternatieven
Wanneer FR-4 niet geschikt is
• Hoogfrequente circuits - Boven ongeveer 6-10 GHz veroorzaakt FR-4 een hoger signaalverlies, waardoor het ongeschikt is voor geavanceerde RF- of microgolfontwerpen.
• Ultrahoge gegevenssnelheden - Voor snelheden zoals PCIe Gen 5 en hoger (25+ Gbps) voegt FR-4 te veel vertraging en insertieverlies toe, waardoor de signaalintegriteit wordt verminderd.
• Omstandigheden met hoge temperaturen - De standaard FR-4 begint sneller af te breken bij blootstelling aan temperaturen hoger dan ongeveer 150 °C, waardoor het onbetrouwbaar is voor langdurig gebruik in dergelijke omgevingen.
Alternatieven voor FR-4
| Materiaal | Gebruik Case |
|---|---|
| Rogers laminaten | RF- en microgolfontwerpen die weinig signaalverlies vereisen |
| PTFE composieten | Ultra-laag diëlektrisch verlies voor precisie, hoogfrequente circuits |
| Polyimide | Uithoudingsvermogen bij hoge temperaturen in ruwe omgevingen |
| Keramiek | Extreme prestaties en duurzaamheid onder stress |
FR-4 kwaliteiten en toepassingen
Standaard FR-4
De norm FR-4 heeft een glasovergangstemperatuur (Tg) van ongeveer 130-150 °C. Het is de meest voorkomende kwaliteit, gebruikt in elektronica, kantoorapparatuur en standaard industriële besturingssystemen.
Hoog-TG FR-4
High-Tg FR-4 biedt een Tg van 170-180 °C of hoger. Deze kwaliteit is vereist voor loodvrije soldeerprocessen en wordt gebruikt in auto-elektronica, lucht- en ruimtevaartplaten en andere ontwerpen die een hogere thermische stabiliteit nodig hebben.
Hoge-CTI FR-4
High-CTI FR-4 biedt een vergelijkende trackingindex (CTI) van 600 of hoger. Het wordt gekozen voor voedingen, converters en hoogspanningscircuits waar veilige kruip- en spelingsafstanden vereist zijn.
Halogeenvrij FR-4
Halogeenvrije FR-4 heeft eigenschappen die vergelijkbaar zijn met standaard- of high-Tg-typen, maar het vermijdt vlamvertragers op basis van halogeen. Het wordt gebruikt in milieuvriendelijke ontwerpen die moeten voldoen aan de RoHS- en REACH-milieunormen.
Problemen met de signaalintegriteit in FR-4
Probleem
FR-4 gebruikt een geweven glasweefsel voor sterkte, maar dit weefsel is niet perfect uniform. Bij het routeren van differentiaalparen kan het ene spoor voornamelijk over de glasbundels gaan, die een hogere diëlektrische constante hebben, terwijl het andere spoor over de hars gaat, die een lagere diëlektrische constante heeft. Deze ongelijkmatige blootstelling zorgt ervoor dat de signalen met iets verschillende snelheden reizen, waardoor een zogenaamde vezelweefscheefheid ontstaat.
Gevolgen
Het verschil in snelheid tussen de twee signalen leidt tot mismatches in de timing. Bij hoge datasnelheden verschijnt deze mismatch als differentiële scheefheid, extra jitter en zelfs sluiting van oogdiagrammen. Deze effecten kunnen de signaalintegriteit verminderen en de prestaties van snelle communicatiekanalen beperken.
Oplossingen
Door differentiële paren in een hoek van 10-15° ten opzichte van het weefsel te frezen, wordt voorkomen dat sporen rechtstreeks op de glasbundels worden uitgelijnd. Door te kiezen voor gespreide glasstoffen, zoals 3313-stijlen, worden de diëlektrische eigenschappen over de hele linie uniformer. Duizelingwekkende differentiële paren zorgen ervoor dat beide sporen een vergelijkbare materiaalmix tegenkomen. Door de budgettering in timingsimulaties kunt u deze effecten voorspellen en verantwoorden voordat u ze fabriceert.
Vocht- en betrouwbaarheidsrisico's in FR-4
Effecten van vocht
• Tg-reductie tijdens terugvloeien - Geabsorbeerd vocht verlaagt de glasovergangstemperatuur, waardoor het materiaal minder stabiel wordt tijdens het solderen en kan leiden tot delaminatie.
• Diëlektrische degradatie - Bij hoge frequenties verhoogt vocht het diëlektrische verlies, wat de signaalkwaliteit in ontwerpen met GHz-snelheid vermindert.
• Geleidende anodische filamentatie (CAF) - Een van de ernstigste risico's, CAF, treedt op wanneer koperionen onder elektrische bias door de epoxy migreren en verborgen geleidende paden vormen die kortsluiting tussen sporen of via's kunnen veroorzaken.
Vochtproblemen verminderen
• Bewaar planken droog en afgesloten om vocht buiten te houden.
• Bak planken voor gebruik als ze zijn blootgesteld aan vocht.
• Kies CAF-resistente FR-4 voor ontwerpen met hoge dichtheid of hoge spanning.
• Volg de afstandsregels van IPC om het risico op korte broeken te verminderen.
Factoren die u moet controleren voordat u FR-4 koopt
• Specificeer de laminaatkwaliteit en IPC-4101 schuine streep om verwarring te voorkomen.
• Neem frequentiespecifieke diëlektrische constante (Dk) en dissipatiefactor (Df) waarden op voor de beoogde werkband.
• Bevestig de thermische vereisten met Tg ≥ 170 °C en Td > 300 °C voor loodvrij solderen en langdurige hittestabiliteit.
• Noem de ruwheid van koperfolie voor lagen met hoge snelheid om het invoegverlies te minimaliseren.
• Let op de vergelijkende trackingindex (CTI) bij het ontwerpen voor hoogspanningspaden.
• Kies CAF-bestendig laminaat voor dichte via-velden of hoogspanningstoepassingen.
• Voeg instructies toe voor het hanteren of opbergen om vocht onder controle te houden en delaminatie te voorkomen.
• Vraag gespreid glasweefsel aan voor differentiële paren om scheeftrekking van het vezelweefsel te verminderen.
Conclusie
FR-4 biedt sterkte, isolatie en kostenefficiëntie, daarom blijft het het standaard PCB-materiaal. Toch heeft het limieten in omstandigheden met een hoge frequentie, hoge snelheid of hoge temperatuur. Door de elektrische, thermische en betrouwbaarheidsfactoren te kennen en de juiste kwaliteit te kiezen, kunt u stabiele prestaties garanderen of overschakelen op betere alternatieven wanneer ontwerpen dit vereisen.
Veelgestelde vragen [FAQ]
Wat is IPC-4101 in FR-4?
Het is een standaard die FR-4 laminaateigenschappen definieert, zoals Tg, Dk en vochtopname.
Waarin verschilt FR-4 van PCB's met metalen kern?
FR-4 is voor algemene PCB's, terwijl PCB's met metalen kern aluminium of koper gebruiken voor een betere warmteafvoer.
Kan FR-4 worden gebruikt in flexibele PCB's?
Nee, FR-4 is stijf. Het kan alleen deel uitmaken van rigid-flex-ontwerpen met polyimidelagen.
Wat is de vochtopname van FR-4?
Ongeveer 0.10-0.20%, wat de stabiliteit kan verminderen als het niet op de juiste manier wordt gebakken of bewaard.
Is FR-4 goed voor hoogspanningscircuits?
Ja, hoge CTI-kwaliteiten (CTI ≥ 600) worden gebruikt in voedingen en converters.
Waarom is de ruwheid van koperfolie van belang in FR-4?
Ruwe folies verhogen het signaalverlies; Gladde folies verbeteren de prestaties op hoge snelheid.