FR-4 ist das am häufigsten verwendete Trägermaterial für Leiterplatten. Doch welche Eigenschaften genau machen es zu einem so gefragten Leiterplattenträger?
Interessanterweise haben viele Personen, die mit der Herstellung von Leiterplatten zu tun haben, keine klare Vorstellung von den Eigenschaften von FR-4. Viele kennen seine Vorteile gegenüber anderen Leiterplattensubstraten, wie FR-1, G-10, Aluminiumoxid und PTFE, nicht.
Das Ziel dieses Beitrags ist es, die Eigenschaften und Anwendungsfälle von FR-4 als Basismaterial für Leiterplatten zu beleuchten. Wir hoffen, dass diese Diskussion Ihnen helfen wird, fundierte Entscheidungen zu treffen.
Was ist FR-4?
FR-4, das sich sowohl auf eine Standardbewertung als auch auf einen Namen bezieht, ist eine glasverstärktes Epoxid-Laminatmaterial. FR steht für "flame retardant" (flammhemmend) und 4 bezieht sich auf die Einstufung des Materials. Es handelt sich um einen Verbundwerkstoff, der aus einer Glasfaserschicht besteht, die in ein starres, schwer entflammbares Epoxidharz eingewoben ist.
FR-4 wird häufig als Trägermaterial verwendet, d. h. als primäres isolierendes Grundgerüst von Leiterplatten. Niedrige Kosten, hohe Durchschlagsfestigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit sind einige der bemerkenswerten Vorteile von FR-4. Diese Eigenschaften machen FR-4 zum bevorzugten Trägermaterial für gedruckte Schaltungen. Eine anspruchsvolle Schaltung kann auf eine oder beide Seiten einer FR-4-Platte gedruckt werden.
Faktoren, die bei der Auswahl der Dicke von FR-4-Leiterplatten zu berücksichtigen sind
Ein Elektroingenieur, der an einem Leiterplattenprojekt arbeitet, bei dem eine Laminatplatte verwendet wird, muss die Dicke der Platte angeben. Je nach Einstellung der Leiterplatte kann die Dicke in Zoll, Millimetern oder Tausendstel Zoll gemessen werden. In der Regel reicht sie jedoch von 10 thou bis 3 Zoll.
Elektronische Geräte werden von Jahr zu Jahr immer kleiner. Daher bestimmt die Dicke einer Leiterplatte weitgehend die Größe, das Design, die Präzision und die Ästhetik eines Geräts. Hier sind einige Faktoren, die bei der Bestimmung der Dicke einer Laminatplatte zu beachten sind:
Weltraum
Verdünner FR-4-Platten sind gefragter als dickere. Der Grund dafür liegt auf der Hand: Gadgets wie Bluetooth-Zubehör und USB-Anschlüsse werden immer kleiner. Weil sie Platz sparen, sind kleinere und dünnere FR-4-Platinen auch bei größeren Projekten vorzuziehen.
Verbindungen
Ein Leiterplattendesign kann einseitig oder zweiseitig sein. Für ein zweiseitiges Design ist ein Randverbinder erforderlich, der die beiden Seiten miteinander verbindet. Ein Problem mit dem Gegenstück des Steckers kann die Leiterplatte beschädigen. Das ist ein Grund, warum das Material einer Schaltung erst dann ausgewählt wird, wenn die Schaltung entworfen worden ist.
Flexibilität
Abhängig von der jeweiligen Anwendung kann die Flexibilität einer FR-4-Platte eine wünschenswerte Eigenschaft sein oder auch nicht. Dünnere Platten sind in der Regel flexibler. Ein Produkt, das regelmäßig gebogen oder belastet werden soll, erfordert eine flexible Platte. Geräte, die in der Automobilbranche und in der Medizintechnik eingesetzt werden, erfordern häufig flexible Leiterplatten.
Bei der Herstellung von Leiterplatten ist die Flexibilität jedoch oft ein unerwünschtes Merkmal. Das liegt zum Teil daran, dass sie die Montage komplizierter macht. Eine Lötmaschine kann dazu führen, dass sich eine flexible Leiterplatte biegt und teilweise verlötet wird. Diese Biegung kann die Verbindungen und Komponenten auf der Leiterplatte beschädigen.
Gestaltung
Die Dicke einer FR-4-Platte muss sich nach den Designanforderungen für die Platte richten. Dünne Platten sind nicht für alle Arten von Projekten besser geeignet. So erfordert beispielsweise ein Design mit Rillen eine relativ dicke Platte.
Impedanzanpassung
Bei einer mehrschichtigen Leiterplatte ist die Dicke wichtig, weil die Platte selbst als Kondensator dient. Das Dielektrikum, das in gewissem Maße die Kapazität bestimmt, wird durch die Dicke der Leiterplatte bestimmt.
Kompatibilität der Komponenten
Viele Bauteile, wie z. B. einige durchkontaktierte Bauteile, sind nur mit einem bestimmten Dickenbereich kompatibel. Deshalb ist die Kompatibilität der Bauteile ein wichtiger Faktor, der bei der Bestimmung der FR4-Leiterplattendicke zu berücksichtigen ist.
Gewicht
Das Gewicht einer Leiterplatte hängt weitgehend von der Dicke der FR-4-Platte ab. Hersteller von leichteren Produkten bevorzugen dünne Platten.
Ist FR-4 das richtige Material für Ihr PCB-Projekt?
Für die meisten elektronischen Anwendungen ist ein FR4-Substrat die Standardwahl. Die Beliebtheit von FR-4 ist der Festigkeit, den niedrigen Kosten und der Zuverlässigkeit des Materials geschuldet. Aber es ist nicht das beste Material für alle Anwendungen. Hochfrequenzlaminate sind für Hochfrequenzdesigns vorzuziehen.
Bei der Wahl zwischen dem FR4-Material und einem Hochfrequenzlaminat sind einige wichtige Faktoren zu beachten:
- Kosten: FR-4 ist billiger als Hochfrequenzmaterialien. Wenn also die Kosten für einen Hersteller eine Rolle spielen, ist FR-4 definitiv eine bessere Option als ein Hochfrequenzlaminat.
- Signalverlust: Aufgrund des höheren Verlustfaktors hat FR-4 einen höheren Signalverlust, was in Hochfrequenzsituationen ein Problem darstellt. Wenn FR-4 in einer solchen Anwendung verwendet wird, kommt es zu einem größeren Signalverlust in der Schaltung. Während FR-4 einen Df von etwa 0,020 hat, hat ein typisches Hochfrequenzlaminat einen Df von etwa 0,004.
- Impedanzstabilität: Bei Hochfrequenzdesigns und größeren Schaltungen hängt die Leistung von der Impedanzstabilität ab. Hochfrequenzlaminate sind vorzuziehen, um die Stabilität der Dielektrizitätskonstante zu erhalten. Dieser Wert ist wiederum ausschlaggebend für die Impedanzstabilität, denn bei FR-4 variiert der Dk-Wert über die gesamte Fläche, wenn sich die Temperatur innerhalb der Platte ändert.
- Temperaturmanagement: Temperaturschwankungen beeinflussen die Dielektrizitätskonstante des Basismaterials. Das Ausmaß hängt vom Wärmekoeffizienten der Konstante ab. Für jedes Grad Celsius Temperaturänderung hat FR-4 einen Wärmekoeffizienten von etwa 200 Teilen pro Million. Bei Hochfrequenzlaminaten liegt diese Zahl bei etwa 40 Teilen pro Million. Auch wenn dieser Unterschied nicht so groß aussieht, ist er doch ein wichtiger Faktor. Er spielt vor allem bei Platten eine Rolle, die in relativ heißen Umgebungen eingesetzt werden sollen.
- Dielektrizitätskonstante: Bei einigen Anwendungen kann die Dielektrizitätskonstante der Leiterplatte ein entscheidendes Merkmal sein. In einer Hochfrequenzschaltung hängt die Größe der Übertragungsleitungen weitgehend von der Dielektrizitätskonstante ab. Die Größe der Schaltung ist proportional zur Größe der Übertragungsleitungen. Ein Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante ist für eine kleinere Leiterplatte vorzuziehen. Während die Dk-Werte von Hochfrequenzmaterialien zwischen 6,15 und 11 liegen, hat FR-4 einen Dk-Wert von etwa 4,5. Dieser niedrige Dk-Wert kann FR-4 in einigen Fällen für eine kleine Leiterplatte ungeeignet machen.
- Betriebsumgebung: Bei der Wahl des Basismaterials eines Schaltkreises ist die Umgebung zu berücksichtigen. Hochfrequenzlaminate bieten ein höheres Maß an Temperatur- und Feuchtigkeitsbeständigkeit. Das ist einer der Gründe, warum einige High-End-Designer Hochfrequenzlaminate bevorzugen.
Einpacken
Berücksichtigen Sie bei der Wahl des Basismaterials einer Leiterplatte und der Festlegung der Dicke alle relevanten Faktoren. FR-4 hat zwar Vorteile gegenüber Hochfrequenzlaminaten, ist aber nicht für alle Arten von Anwendungen ein geeignetes Trägermaterial.
In den meisten Fällen ist FR-4 sehr praktisch, weil es billig und in einer Vielzahl von Größen und Dicken erhältlich ist. Aber es ist wichtig, die Vor- und Nachteile abzuwägen und das richtige Leiterplatten-Basismaterial für Ihr Projekt zu wählen. Wir hoffen, dass Sie jetzt besser vorbereitet sind, um eine Entscheidung zu treffen.