FR-4 ir visplašāk izmantotais substrāta materiāls iespiedshēmu platēm. Bet kādas tieši īpašības padara to par tik pieprasītu PCB pamatni?
Interesanti, ka daudziem PCB ražošanā iesaistītajiem cilvēkiem nav skaidras izpratnes par FR-4 īpašībām. Daudzi nezina tā priekšrocības salīdzinājumā ar citiem PCB substrātiem, piemēram, FR-1, G-10, alumīnija oksīdu un PTFE.
Šī raksta mērķis ir izgaismot FR-4 kā iespiedshēmu plašu pamatmateriāla īpašības un izmantošanas gadījumus. Cerams, ka šī diskusija palīdzēs jums pieņemt pamatotus lēmumus.
Kas ir FR-4?
FR-4, kas attiecas gan uz standarta novērtējumu, gan nosaukumu, ir ar stiklu pastiprināta epoksīda lamināta materiāls. FR apzīmē antipirēnu, un 4 apzīmē materiāla kategoriju. Tas ir kompozītmateriāls, kas sastāv no stikla šķiedras slāņa, kas ieausts stingrā, liesmu izturīgā epoksīdsveķu šķīdumā.
FR-4 tiek plaši izmantots kā substrāta materiāls jeb, citiem vārdiem sakot, drukātās shēmas plašu galvenais izolācijas pamats. FR-4 priekšrocības ir zemas izmaksas, augsta dielektriskā izturība un izturība pret mitrumu. Pateicoties šīm īpašībām, FR-4 ir visizplatītākais substrāta materiāls iespiedshēmu platēm. Sarežģītas shēmas var iespiest uz vienas vai abām FR-4 plates pusēm.
Faktori, kas jāņem vērā, izvēloties FR-4 iespiedshēmu plākšņu biezumu
Elektrotehnikas inženierim, kas strādā pie PCB projekta, kurā izmanto lamināta plati, ir jānorāda plates biezums. Atkarībā no plates iestatījumiem tās biezumu var mērīt collas, milimetros vai tūkstošdaļās collas. Tomēr parasti tas ir no 10 tūkstošiem līdz 3 collām.
Elektroniskie sīkrīki ar katru gadu kļūst arvien mazāki. Tāpēc PCB plates biezums lielā mērā nosaka sīkrīka izmēru, dizainu, precizitāti un estētisko pievilcību. Šeit ir daži faktori, kas jāņem vērā, nosakot lamināta plates biezumu:
Telpa
Plānāks FR-4 plāksnes ir pieprasītākas nekā biezākas. Iemesls ir acīmredzams: tādi sīkrīki kā Bluetooth piederumi un USB savienotāji kļūst arvien mazāki. Tā kā tās ietaupa vietu, mazākas un plānākas FR-4 plates ir vēlamas pat lielākiem projektiem.
Savienojumi
PCB konstrukcija var būt vienpusēja vai divpusēja. Divpusējai konstrukcijai ir nepieciešams malas savienotājs, kas savieno abas puses. Savienotāja savienojuma savienojamās daļas problēmas var sabojāt PCB. Tas ir iemesls, kāpēc shēmas materiāls netiek izvēlēts, kamēr shēma nav projektēta.
Elastība
Atkarībā no konkrētā lietojuma FR-4 plātnes elastīgums var būt vai nebūt vēlama iezīme. Plānākas plātnes parasti ir elastīgākas. Izstrādājumam, kas paredzēts regulārai saliekšanai vai sasprindzināšanai, nepieciešama elastīga plātne. Ierīcēm, ko izmanto autobūves un medicīnas nozarē, bieži ir nepieciešamas elastīgas plātnes.
Tomēr, kad runa ir par PCB ražošanas procesu, elastīgums bieži vien ir nevēlama iezīme. Daļēji tāpēc, ka tas sarežģī montāžu. Lodēšanas mašīna var izraisīt elastīgas plates izliekšanos un daļēju lodēšanu. Šāda izliešanās var sabojāt savienojumus un komponentus, kas izvietoti uz plates.
Dizains
FR-4 plātnes biezums jānosaka, ņemot vērā plātnes konstrukcijas prasības. Plānas plātnes nav labāk piemērotas visiem projektu veidiem. Piemēram, projektam ar rievām ir nepieciešama salīdzinoši bieza plātne.
Impedances saskaņošana
Daudzslāņu plātnei biezums ir svarīgs, jo pati plātne kalpo kā kondensators. Dielektriķis, kas zināmā mērā nosaka kapacitāti, ir atkarīgs no plates biezuma.
Sastāvdaļu savietojamība
Daudzi komponenti, piemēram, daži caurumu komponenti, ir saderīgi tikai ar noteiktu biezuma diapazonu. Tāpēc komponentu saderība ir svarīgs faktors, kas jāņem vērā, nosakot FR4 PCB biezumu.
Svars
PCB svars lielā mērā ir atkarīgs no FR-4 plates biezuma. Vieglāku izstrādājumu ražotāji dod priekšroku plānām plātnēm.
Vai FR-4 ir pareizais materiāls jūsu PCB projektam?
Lielākajai daļai elektronikas lietojumu FR4 substrāts ir standarta izvēle. FR-4 popularitāte ir atkarīga no materiāla izturības, zemajām izmaksām un uzticamības. Taču tas nav labākais materiāls visiem lietojumiem. Augstfrekvences lamināti ir ieteicamāki augstfrekvences konstrukcijām.
Lūk, daži galvenie faktori, kas jāpatur prātā, izvēloties starp FR4 materiālu un augstfrekvences laminātu:
- Izmaksas: FR-4 ir lētāks nekā augstfrekvences materiāli. Tāpēc, ja ražotājam izmaksas ir svarīgs jautājums, FR-4 noteikti ir labāks risinājums nekā augstfrekvences lamināts.
- Signāla zudums: Augstāka izkliedes koeficienta dēļ FR-4 ir lielāki signāla zudumi, kas ir problēma augstfrekvences situācijās. Ja FR-4 tiek izmantots šādā lietojumā, ķēdē būs lielāki signāla zudumi. FR-4 Df ir aptuveni 0,020, bet tipiskam augstfrekvences laminātam Df ir aptuveni 0,004.
- Impedances stabilitāte: Augstfrekvences konstrukcijām un lielākām ķēdēm veiktspēja ir atkarīga no impedances stabilitātes. Augstfrekvences lamināti ir ieteicami, lai saglabātu dielektriskās konstantes stabilitāti. Šī vērtība, savukārt, nosaka pretestības stabilitāti.Tas ir tāpēc, ka FR-4 gadījumā, mainoties temperatūrai plates iekšienē, Dk vērtība mainās visā platē.
- Temperatūras pārvaldība: Temperatūras izmaiņas ietekmē pamatmateriāla dielektrisko konstanti. Tas ir atkarīgs no konstantes siltuma koeficienta. Katram temperatūras maiņas grādam pēc Celsija FR-4 termiskais koeficients ir aptuveni 200 daļas uz miljonu. Augstas frekvences laminātiem šis skaitlis ir aptuveni 40 daļas uz miljonu. Lai gan šī atšķirība neizskatās tik liela, tas ir svarīgs faktors. Tā ir īpaši svarīga plātnēm, kuras paredzēts izmantot salīdzinoši karstā vidē.
- Dielektriskā konstante: dažos lietojumos shēmas plates dielektriskā konstante var būt izšķiroša īpašība. Augstfrekvences shēmā pārraides līniju izmērs lielā mērā ir atkarīgs no dielektriskās konstantes. Shēmas lielums ir proporcionāls pārraides līniju lielumam. Materiāls ar augstu dielektrisko konstanti ir vēlams mazākām platēm. Augstfrekvenču materiālu Dk vērtība svārstās no 6,15 līdz 11, bet FR-4 Dk vērtība ir aptuveni 4,5. Šī zemā Dk vērtība dažos gadījumos var padarīt FR-4 nepiemērotu mazai PCB plāksnei.
- Darbības vide: Izvēloties ķēdes pamatmateriālu, ņemiet vērā apkārtējo vidi. Augstfrekvences lamināti nodrošina augstāku temperatūras un mitruma izturības līmeni. Tas ir viens no iemesliem, kāpēc daži augstas klases dizaineri dod priekšroku augstfrekvences laminātiem.
Pabeigšana
Izvēloties shēmas plates pamatmateriālu un nosakot tā biezumu, ņemiet vērā visus būtiskos faktorus. Lai gan FR-4 ir priekšrocības salīdzinājumā ar augstfrekvences laminātiem, tas nav lielisks pamatnes materiāls visiem lietojumu veidiem.
Vairumā gadījumu FR-4 ir diezgan ērts, jo tas ir lēts un pieejams dažādos izmēros un biezumos. Taču ir svarīgi izsvērt priekšrocības un trūkumus un izvēlēties savam projektam piemērotu shēmas plates pamatmateriālu. Mēs ceram, ka tagad esat labāk sagatavojušies lēmuma pieņemšanai.