FR-4 je nejpoužívanějším substrátovým materiálem pro desky s plošnými spoji. Jaké vlastnosti z něj ale dělají tak vyhledávaný základ pro desky plošných spojů?
Je zajímavé, že mnoho lidí, kteří se zabývají výrobou desek plošných spojů, nemá o vlastnostech materiálu FR-4 jasnou představu. Mnozí neznají jeho výhody oproti jiným substrátům PCB, jako jsou FR-1, G-10, hliník a PTFE.
Cílem tohoto příspěvku je objasnit vlastnosti a případy použití materiálu FR-4 jako základního materiálu pro desky s plošnými spoji. Doufejme, že vám tato diskuse pomůže učinit informované rozhodnutí.
Co je FR-4?
FR-4, což znamená jak standardní hodnocení, tak název, je epoxidový laminát vyztužený sklem. Zkratka FR znamená nehořlavý a 4 označuje stupeň hořlavosti materiálu. Jedná se o kompozitní materiál složený z vrstvy skleněných vláken vetkaných do tuhé epoxidové pryskyřice odolné proti plameni.
FR-4 se široce používá jako substrátový materiál, jinými slovy jako primární izolační základ desek s plošnými spoji. Mezi významné výhody FR-4 patří nízká cena, vysoká dielektrická pevnost a odolnost proti vlhkosti. Díky těmto vlastnostem je FR-4 oblíbeným substrátovým materiálem pro desky s plošnými spoji. Na jedné nebo obou stranách desky FR-4 může být vytištěn složitý obvod.
Faktory, které je třeba zvážit při výběru tloušťky desek s plošnými spoji FR-4
Elektroinženýr pracující na projektu DPS, který zahrnuje použití laminátové desky, musí určit tloušťku desky. V závislosti na nastavení desky se její tloušťka může měřit v palcích, milimetrech nebo v tisícinách palce. Obvykle se však pohybuje v rozmezí od 10 thou do 3 palců.
Elektronické přístroje se každým rokem zmenšují. Proto tloušťka desky plošných spojů do značné míry určuje velikost, design, přesnost a estetický vzhled miniaplikace. Zde je několik faktorů, které je třeba mít na paměti při určování tloušťky laminátové desky:
Prostor
Řidší Desky FR-4 jsou žádanější než silnější. Důvod je zřejmý: pomůcky, jako je příslušenství Bluetooth a konektory USB, se zmenšují. Protože šetří místo, jsou menší a tenčí desky FR-4 vhodnější i pro větší projekty.
Připojení
Návrh desky plošných spojů může být jednostranný nebo oboustranný. U oboustranného návrhu je vyžadován okrajový konektor, který spojuje obě strany. Problém se styčnou částí konektoru může poškodit desku plošných spojů. To je důvod, proč se materiál obvodu vybírá až po jeho návrhu.
Flexibilita
V závislosti na konkrétní aplikaci může, ale nemusí být flexibilita desky FR-4 žádoucí vlastností. Tenčí desky bývají pružnější. Výrobek, který má být pravidelně ohýbán nebo namáhán, vyžaduje pružnou desku. Zařízení používaná v automobilovém průmyslu a zdravotnictví často vyžadují pružné desky.
Při výrobě desek plošných spojů je však flexibilita často nežádoucí vlastností. Částečně proto, že komplikuje montáž. Pájecí stroj může způsobit, že se ohebná deska ohne a částečně se připájí. Toto ohýbání může poškodit spoje a součástky umístěné na desce.
Design
Tloušťka desky FR-4 musí být určena konstrukčními požadavky na desku. Tenké desky nejsou vhodnější pro všechny typy projektů. Například konstrukce s drážkami vyžaduje relativně tlustou desku.
Impedanční přizpůsobení
U vícevrstvých desek je tloušťka důležitá, protože deska sama o sobě slouží jako kondenzátor. Dielektrikum, které do jisté míry určuje kapacitu, je určeno tloušťkou desky.
Kompatibilita součástí
Mnohé součásti, například některé průchozí součásti, jsou kompatibilní pouze s určitým rozsahem tloušťky. Proto je kompatibilita komponent důležitým faktorem, který je třeba vzít v úvahu při určování tloušťky desky plošných spojů FR4.
Hmotnost
Hmotnost desky plošných spojů závisí do značné míry na tloušťce desky FR-4. Výrobci lehčích výrobků dávají přednost tenkým deskám.
Je FR-4 tím správným materiálem pro váš projekt PCB?
Pro většinu elektronických aplikací je standardní volbou substrát FR4. Obliba materiálu FR-4 je dána jeho pevností, nízkou cenou a spolehlivostí. Není to však nejlepší materiál pro všechny aplikace. Pro vysokofrekvenční konstrukce jsou vhodnější vysokofrekvenční lamináty.
Zde je několik klíčových faktorů, které je třeba mít na paměti při výběru mezi materiálem FR4 a vysokofrekvenčním laminátem:
- Náklady: FR-4 je levnější než vysokofrekvenční materiály. Pokud tedy výrobci záleží na nákladech, je FR-4 rozhodně lepší volbou než vysokofrekvenční laminát.
- Ztráta signálu: V důsledku vyššího rozptylového faktoru má FR-4 vyšší ztráty signálu, což je problém ve vysokofrekvenčních situacích. Pokud se v takové aplikaci použije FR-4, dojde v obvodu k větší ztrátě signálu. Zatímco FR-4 má Df přibližně 0,020, typický vysokofrekvenční laminát má Df přibližně 0,004.
- Impedanční stabilita: U vysokofrekvenčních konstrukcí a větších obvodů závisí výkon na impedanční stabilitě. Vysokofrekvenční lamináty jsou vhodnější pro zachování stability dielektrické konstanty. Tato hodnota následně určuje impedanční stabilitu.U FR-4 se totiž hodnota Dk mění v závislosti na teplotě uvnitř desky v celé její ploše.
- Řízení teploty: Změny teploty ovlivňují dielektrickou konstantu základního materiálu. Míra závisí na teplotním koeficientu konstanty. Pro každý stupeň Celsia změny teploty má FR-4 tepelný koeficient přibližně 200 dílů na milion. U vysokofrekvenčních laminátů se toto číslo pohybuje kolem 40 dílů na milion. I když tento rozdíl nevypadá tak velký, je to důležitý faktor. Má význam zejména u desek, které jsou určeny k použití v relativně horkém prostředí.
- Dielektrická konstanta: V některých aplikacích může být dielektrická konstanta desky s plošnými spoji rozhodující vlastností. Ve vysokofrekvenčních obvodech závisí velikost přenosových vedení do značné míry na dielektrické konstantě. Velikost obvodu je úměrná velikosti přenosových vedení. Pro menší desky je vhodnější materiál s vysokou dielektrickou konstantou. Zatímco hodnoty Dk vysokofrekvenčních materiálů se pohybují v rozmezí od 6,15 do 11, FR-4 má hodnotu Dk přibližně 4,5. Tato nízká hodnota Dk může v některých případech způsobit, že FR-4 není vhodný pro malé desky plošných spojů.
- Provozní prostředí: Při výběru základního materiálu obvodu je třeba zohlednit prostředí. Vysokofrekvenční lamináty poskytují vyšší úroveň odolnosti vůči teplotám a vlhkosti. To je jeden z důvodů, proč někteří špičkoví konstruktéři dávají přednost vysokofrekvenčním laminátům.
Závěrečné shrnutí
Při výběru základního materiálu desky plošných spojů a určování její tloušťky zvažte všechny relevantní faktory. Ačkoli má FR-4 oproti vysokofrekvenčním laminátům výhody, není to skvělý podkladový materiál pro všechny typy aplikací.
Ve většině případů se vám FR-4 bude hodit, protože je levný a dostupný v široké škále velikostí a tlouštěk. Je však důležité zvážit výhody a nevýhody a vybrat pro svůj projekt správný základní materiál desek plošných spojů. Doufáme, že nyní jste na rozhodování lépe připraveni.