FR-4 è il materiale di supporto più utilizzato per i circuiti stampati. Ma quali sono le proprietà che lo rendono una base per circuiti stampati così ricercata?
È interessante notare che molte persone coinvolte nella produzione dei PCB non hanno una chiara comprensione delle proprietà dell'FR-4. Molti non ne conoscono i vantaggi rispetto ad altri substrati per PCB, come FR-1, G-10, allumina e PTFE.
L'obiettivo di questo post è quello di fare luce sulle proprietà e sui casi di utilizzo dell'FR-4 come materiale di base per i circuiti stampati. Speriamo che questa discussione vi aiuti a prendere decisioni informate.
Che cos'è l'FR-4?
FR-4, che si riferisce sia ad un rating standard che ad un nome, è un materiale laminato epossidico rinforzato con vetro. FR sta per flame retardant e 4 si riferisce alla classificazione del materiale. Si tratta di un materiale composito composto da uno strato di fibra di vetro intrecciato con una resina epossidica rigida e resistente alle fiamme.
L'FR-4 è ampiamente utilizzato come materiale di substrato o, in altre parole, come struttura isolante primaria dei circuiti stampati. Il basso costo, l'elevata rigidità dielettrica e la resistenza all'umidità sono alcuni dei vantaggi notevoli dell'FR-4. Queste caratteristiche rendono l'FR-4 il materiale di substrato ideale per i circuiti stampati. Un circuito sofisticato può essere stampato su uno o su entrambi i lati di una scheda FR-4.
Fattori da considerare nella scelta dello spessore dei circuiti stampati FR-4
Un ingegnere elettrico che lavora a un progetto di PCB che prevede l'uso di una scheda laminata deve specificare lo spessore della scheda. A seconda dell'impostazione della scheda, lo spessore può essere misurato in pollici, millimetri o thou, che si riferisce ai millesimi di pollice. Tuttavia, di solito varia da 10 thou a 3 pollici.
I gadget elettronici diventano sempre più piccoli ogni anno che passa. Pertanto, lo spessore di una scheda PCB determina in larga misura le dimensioni, il design, la precisione e l'estetica di un gadget. Ecco alcuni fattori da tenere presenti nel determinare lo spessore di una scheda laminata:
Spazio
Diluente Schede FR-4 sono più richiesti di quelli più spessi. Il motivo è ovvio: i gadget come gli accessori Bluetooth e i connettori USB sono sempre più piccoli. Poiché consentono di risparmiare spazio, le schede FR-4 più piccole e sottili sono preferibili anche per i progetti più grandi.
Connessioni
Un progetto di PCB può essere a un lato o a due lati. Per un progetto a due lati è necessario un connettore perimetrale che colleghi i due lati. Un problema con la parte di accoppiamento del connettore può danneggiare il PCB. Questo è il motivo per cui il materiale di un circuito non viene scelto prima che il circuito sia stato progettato.
Flessibilità
A seconda dell'applicazione specifica, la flessibilità di una scheda FR-4 può essere o meno una caratteristica desiderabile. I pannelli più sottili tendono ad essere più flessibili. Un prodotto destinato a essere regolarmente flesso o sollecitato richiede un pannello flessibile. I dispositivi utilizzati nei settori automobilistico e medico richiedono spesso schede flessibili.
Quando si tratta del processo di produzione dei PCB, tuttavia, la flessibilità è spesso una caratteristica indesiderata. In parte perché rende più complicato l'assemblaggio. Una saldatrice può far sì che una scheda flessibile si fletta e venga parzialmente saldata. Questa flessione può danneggiare le connessioni e i componenti presenti sulla scheda.
Design
Lo spessore di una scheda FR-4 deve essere determinato dai requisiti di progettazione della scheda. I pannelli sottili non sono adatti a tutti i tipi di progetti. Ad esempio, un progetto che presenta scanalature richiede una scheda relativamente spessa.
Corrispondenza di impedenza
Per una scheda multistrato, lo spessore è importante perché la scheda stessa funge da condensatore. Il dielettrico, che determina in parte la capacità, è determinato dallo spessore della scheda.
Compatibilità dei componenti
Molti componenti, come alcuni componenti a foro passante, sono compatibili solo con una certa gamma di spessori. Ecco perché la compatibilità dei componenti è un fattore importante da considerare quando si determina lo spessore del PCB FR4.
Peso
Il peso di un circuito stampato dipende in larga misura dallo spessore della scheda FR-4. I produttori di prodotti più leggeri preferiscono schede sottili.
L'FR-4 è il materiale giusto per il vostro progetto PCB?
Per la maggior parte delle applicazioni elettroniche, il substrato FR4 è la scelta predefinita. La popolarità dell'FR4 è dovuta alla resistenza, al basso costo e all'affidabilità del materiale. Ma non è il materiale migliore per tutte le applicazioni. I laminati ad alta frequenza sono preferibili per progetti ad alta frequenza.
Ecco alcuni fattori chiave da tenere presenti nella scelta tra il materiale FR4 e un laminato ad alta frequenza:
- Costo: L'FR-4 è più economico dei materiali ad alta frequenza. Pertanto, se il costo è una preoccupazione per un produttore, l'FR-4 è sicuramente un'opzione migliore rispetto a un laminato ad alta frequenza.
- Perdita di segnale: A causa del fattore di dissipazione più elevato, l'FR-4 presenta una perdita di segnale più elevata, che rappresenta un problema in situazioni di alta frequenza. Se l'FR-4 viene utilizzato in un'applicazione di questo tipo, la perdita di segnale nel circuito sarà maggiore. Mentre l'FR-4 ha un Df di circa 0,020, un tipico laminato per alte frequenze ha un Df di circa 0,004.
- Stabilità dell'impedenza: Per i progetti ad alta frequenza e i circuiti più grandi, le prestazioni dipendono dalla stabilità dell'impedenza. I laminati per alte frequenze sono preferibili per mantenere la stabilità della costante dielettrica. Questo valore, a sua volta, determina la stabilità dell'impedenza, perché con l'FR-4, al variare della temperatura all'interno della scheda, il valore Dk varia in tutta l'area.
- Gestione della temperatura: Le variazioni di temperatura influiscono sulla costante dielettrica del materiale di base. L'entità dipende dal coefficiente termico della costante. Per ogni variazione di temperatura di un grado Celsius, l'FR-4 ha un coefficiente termico di circa 200 parti per milione. Con i laminati ad alta frequenza, questo numero è di circa 40 parti per milione. Anche se questa differenza non sembra così grande, è un fattore importante. È importante soprattutto per i pannelli destinati a essere utilizzati in ambienti relativamente caldi.
- Costante dielettrica: in alcune applicazioni, la costante dielettrica del circuito può essere una caratteristica fondamentale. In un circuito ad alta frequenza, la dimensione delle linee di trasmissione dipende in larga misura dalla costante dielettrica. Le dimensioni del circuito sono proporzionali alle dimensioni delle linee di trasmissione. Un materiale con una costante dielettrica elevata è preferibile per una scheda più piccola. Mentre i valori di Dk dei materiali ad alta frequenza variano da 6,15 a 11, l'FR-4 ha un valore di Dk di circa 4,5. Questo basso valore di Dk può, in alcuni casi, essere considerato un fattore di rischio per le linee di trasmissione. Questo basso valore Dk può, in alcuni casi, rendere l'FR-4 inadatto per una scheda PCB di piccole dimensioni.
- Ambiente operativo: Quando si sceglie il materiale di base di un circuito, bisogna considerare l'ambiente. I laminati ad alta frequenza offrono un livello superiore di resistenza alla temperatura e all'umidità. Questo è uno dei motivi per cui alcuni progettisti di fascia alta preferiscono i laminati ad alta frequenza.
Conclusione
Quando si sceglie il materiale di base di un circuito stampato e si determina il suo spessore, si devono considerare tutti i fattori rilevanti. Sebbene l'FR-4 presenti dei vantaggi rispetto ai laminati ad alta frequenza, non è un materiale di base ideale per tutti i tipi di applicazioni.
Nella maggior parte dei casi, l'FR-4 è piuttosto conveniente perché è economico e disponibile in un'ampia gamma di dimensioni e spessori. Tuttavia, è importante soppesare i vantaggi e gli svantaggi e scegliere il materiale di base del circuito stampato più adatto al proprio progetto. Speriamo che ora siate più preparati a prendere una decisione.