FR-4 on kõige laialdasemalt kasutatav trükkplaatide põhimaterjal. Kuid millised omadused teevad sellest täpselt sellise nõutava trükkplaatide aluse?
Huvitaval kombel ei ole paljudel trükkplaatide tootmisega seotud inimestel selge arusaam FR-4 omadustest. Paljud ei tea selle eeliseid teiste PCB-substraatide, näiteks FR-1, G-10, alumiiniumoksiidi ja PTFE ees.
Selle postituse eesmärk on valgustada FR-4 omadusi ja kasutusjuhtumeid trükkplaatide alusmaterjalina. Loodetavasti aitab see arutelu teil teha teadlikke otsuseid.
Mis on FR-4?
FR-4, mis viitab nii standardreitingule kui ka nimele, on klaasiga tugevdatud epoksülaminaat materjal. FR tähistab leegiaeglustit ja 4 viitab materjali klassifikatsioonile. Tegemist on komposiitmaterjaliga, mis koosneb jäigasse, leegikindlasse epoksüvaiku sisse põimitud klaaskiudkihist.
FR-4 kasutatakse laialdaselt põhimaterjalina ehk teisisõnu trükkplaatide esmase isoleeriva selgroona. Madal hind, kõrge dielektriline tugevus ja niiskuskindlus on mõned FR-4 märkimisväärsed eelised. Need omadused muudavad FR-4 trükkplaatide põhimaterjaliks. FR-4 plaadi ühele või mõlemale küljele võib trükkida keerulise vooluahela.
FR-4 trükkplaatide paksuse valimisel arvesse võetavad tegurid
Elektriinsener, kes töötab trükkplaadi projektiga, mis hõlmab laminaatplaadi kasutamist, peab määrama plaadi paksuse. Sõltuvalt plaadi seadistusest võib selle paksust mõõta tollides, millimeetrites või tuhandikkümnendikes. Tavaliselt jääb see siiski vahemikku 10 tuhande ja 3 tolli vahel.
Elektroonilised seadmed muutuvad iga aastaga väiksemaks. Seetõttu määrab trükkplaadi paksus suuresti seadme suuruse, disaini, täpsuse ja esteetilise välimuse. Siin on mõned tegurid, mida laminaatplaadi paksuse määramisel silmas pidada:
Kosmos
Õhuke FR-4 plaadid on nõudlikumad kui paksemad. Ja põhjus on ilmselge: sellised vidinad nagu Bluetooth-tarvikud ja USB-ühendused muutuvad väiksemaks. Kuna need säästavad ruumi, on väiksemad ja õhemad FR-4-plaadid eelistatavad ka suuremate projektide puhul.
Ühendused
Trükkplaadi disain võib olla ühe- või kahepoolne. Kahepoolse konstruktsiooni puhul on vaja servaliitjat, mis ühendab kaks külge. Probleem pistiku ühenduskohaga võib kahjustada trükkplaati. See on üks põhjus, miks vooluahela materjali ei valita enne, kui vooluahela on projekteeritud.
Paindlikkus
Sõltuvalt konkreetsest rakendusest võib FR-4 plaadi paindlikkus olla soovitav või mitte. Õhemad plaadid kipuvad olema paindlikumad. Toode, mis on ette nähtud regulaarseks painutamiseks või koormamiseks, nõuab paindlikku plaati. Auto- ja meditsiinisektoris kasutatavad seadmed nõuavad sageli paindlikke plaate.
Trükkplaatide tootmisprotsessi puhul on paindlikkus aga sageli ebasoovitav omadus. Osaliselt seetõttu, et see muudab montaaži keerulisemaks. Jootmismasin võib põhjustada paindliku plaadi paindumist ja osalist jootmist. See paindumine võib kahjustada plaadile paigutatud ühendusi ja komponente.
Disain
FR-4 plaadi paksus tuleb määrata plaadi konstruktsiooninõuetega. Õhukesed plaadid ei ole paremad igat tüüpi projektide jaoks. Näiteks nõuab soonedega konstruktsioon suhteliselt paksu plaati.
Impedantsi sobitamine
Mitmekihilise plaadi puhul on paksus oluline, sest plaat ise toimib kondensaatorina. Dielektrikumi, mis määrab teatud määral mahtuvuse, määrab plaadi paksus.
Komponentide ühilduvus
Paljud komponendid, näiteks mõned läbilöögikomponendid, sobivad ainult teatud paksusvahemiku puhul. Seetõttu on komponentide ühilduvus oluline tegur, mida FR4-plaadi paksuse määramisel arvesse võtta.
Kaal
Trükkplaadi kaal sõltub suuresti FR-4 plaadi paksusest. Kergemate toodete tootjad eelistavad õhukesi plaate.
Kas FR-4 on teie PCB projekti jaoks õige materjal?
Enamiku elektroonikarakenduste puhul on FR4 põhimik vaikimisi valik. FR-4 populaarsus on tingitud materjali tugevusest, madalast hinnast ja usaldusväärsusest. Kuid see ei ole kõigi rakenduste jaoks parim materjal. Kõrgsageduslike disainilahenduste puhul on eelistatud kõrgsageduslaminaadid.
Siin on mõned põhitegurid, mida FR4-materjali ja kõrgsageduslaminaadi vahel valides silmas pidada:
- Maksumus: FR-4 on odavam kui kõrgsageduslikud materjalid. Seega, kui tootja jaoks on kulud oluline, on FR-4 kindlasti parem valik kui kõrgsageduslaminaat.
- Signaali kaotus: FR-4-l on suurema hajutamisteguri tõttu suurem signaalikadu, mis on probleemiks kõrgsageduslikes olukordades. Kui FR-4 kasutatakse sellises rakenduses, tekib vooluahelas suurem signaalikadu. Kui FR-4-i Df on umbes 0,020, siis tüüpilise kõrgsageduslaminaadi Df on umbes 0,004.
- Impedantsi stabiilsus: Kõrgsageduslike disainilahenduste ja suuremate vooluahelate puhul sõltub jõudlus impedantsi stabiilsusest. Kõrgsageduslaminaadid on eelistatavad dielektrilise konstandi stabiilsuse säilitamiseks. See väärtus omakorda määrab impedantsi stabiilsuse, sest FR-4 puhul muutub Dk väärtus plaadi sees temperatuurimuutuste tõttu kogu piirkonnas.
- Temperatuuri juhtimine: Temperatuurimuutused mõjutavad alusmaterjali dielektrilist konstanti. Selle ulatus sõltub konstandi termilisest koefitsiendist. FR-4 termilise koefitsiendi väärtus on iga temperatuurimuutuse kraadi kohta umbes 200 miljondikosa. Kõrgsageduslike laminaatide puhul on see arv umbes 40 osa miljoni kohta. Kuigi see erinevus ei tundu nii suur, on see oluline tegur. See on oluline eelkõige plaatide puhul, mis on mõeldud kasutamiseks suhteliselt kuumades keskkondades.
- Dielektriline konstant: Mõnes rakenduses võib trükkplaadi dielektriline konstant olla otsustava tähtsusega. Kõrgsagedusahelas sõltub ülekandeliinide suurus suuresti dielektrilisest konstandist. Lülituse suurus on proportsionaalne ülekandeliinide suurusega. Suure dielektrilise konstandiga materjal on eelistatud väiksema plaadi puhul. Kui kõrgsagedusmaterjalide Dk-väärtused jäävad vahemikku 6,15-11, siis FR-4 Dk-väärtus on umbes 4,5. See madal Dk-väärtus võib mõnel juhul muuta FR-4 väikese trükkplaadi jaoks ebasobivaks.
- Tegevuskeskkond: Arvesse tuleb võtta keskkonda, kui valite vooluahela põhimaterjali. Kõrgsageduslaminaadid tagavad kõrgema temperatuuri ja niiskuskindluse. See on üks põhjusi, miks mõned tippklassi disainerid eelistavad kõrgsageduslaminaate.
Kokkuvõtteks
Arvestage kõiki asjakohaseid tegureid, kui valite trükkplaadi põhimaterjali ja määrate selle paksuse. Kuigi FR-4-l on eeliseid kõrgsageduslaminaatide ees, ei ole see suurepärane põhimaterjal igat tüüpi rakenduste jaoks.
Enamikul juhtudel on FR-4 üsna mugav, sest see on odav ning saadaval mitmesugustes suurustes ja paksustes. Kuid oluline on kaaluda eeliseid ja puudusi ning valida oma projekti jaoks õige trükkplaadi alusmaterjal. Loodame, et nüüd olete otsuse tegemiseks paremini ette valmistatud.