FR-4 is het meest gebruikte substraatmateriaal voor printplaten. Maar welke eigenschappen maken het precies zo'n gewilde basis voor printplaten?
Interessant is dat veel mensen die betrokken zijn bij de productie van PCB's de eigenschappen van FR-4 niet goed begrijpen. Velen kennen de voordelen niet ten opzichte van andere PCB substraten zoals FR-1, G-10, Alumina en PTFE.
Het doel van deze post is om licht te werpen op de eigenschappen en gebruikssituaties van FR-4 als basismateriaal voor printplaten. Hopelijk helpt deze discussie u om weloverwogen beslissingen te nemen.
Wat is FR-4?
FR-4, dat zowel naar een standaardclassificatie als naar een naam verwijst, is een glasversterkte epoxylaminaat. FR staat voor vlamvertragend en 4 verwijst naar de classificatie van het materiaal. Het is een composietmateriaal dat bestaat uit een glasvezellaag geweven in een stijve, vlamwerende epoxyhars.
FR-4 wordt veel gebruikt als substraatmateriaal, of met andere woorden, de primaire isolerende ruggengraat van printplaten. Lage kosten, hoge diëlektrische sterkte en vochtbestendigheid zijn enkele opmerkelijke voordelen van FR-4. Deze eigenschappen maken van FR-4 het go-to substraatmateriaal voor gedrukte schakelingen. Een geavanceerd circuit kan op één of beide zijden van een FR-4 printplaat worden geprint.
Overwegingsfactoren bij het kiezen van de dikte van FR-4 gedrukte schakelingen
Een elektrotechnisch ingenieur die werkt aan een PCB project waarbij een laminaat printplaat wordt gebruikt, moet de dikte van de printplaat specificeren. Afhankelijk van de instelling van de printplaat, kan de dikte gemeten worden in inches, millimeters of thou, wat verwijst naar duizendsten van een inch. Meestal varieert de dikte echter van 10 thou tot 3 inch.
Elektronische gadgets worden elk jaar kleiner. Daarom bepaalt de dikte van een printplaat in grote mate de grootte, het ontwerp, de precisie en de esthetische aantrekkingskracht van een gadget. Hier zijn enkele factoren die je in gedachten moet houden bij het bepalen van de dikte van een printplaat:
Ruimte
Dunner FR-4 printplaten zijn meer gevraagd dan dikkere. En de reden ligt voor de hand: gadgets zoals Bluetooth-accessoires en USB-connectoren worden steeds kleiner. Omdat ze ruimte besparen, hebben kleinere en dunnere FR-4 printplaten zelfs voor grotere projecten de voorkeur.
Verbindingen
Een PCB-ontwerp kan één- of tweezijdig zijn. Een edge connector, die de twee zijden verbindt, is nodig voor een tweezijdig ontwerp. Een probleem met het paringgedeelte van de connector kan de print beschadigen. Dat is een reden waarom het materiaal van een schakeling pas gekozen wordt nadat de schakeling ontworpen is.
Flexibiliteit
Afhankelijk van de specifieke toepassing kan de flexibiliteit van een FR-4 plaat al dan niet een wenselijke eigenschap zijn. Dunnere platen zijn over het algemeen flexibeler. Een product dat bedoeld is om regelmatig gebogen of belast te worden, vereist een flexibele plaat. Apparaten die gebruikt worden in de automobielsector en de medische sector vereisen vaak flexibele platen.
Bij de productie van printplaten is flexibiliteit echter vaak een ongewenste eigenschap. Dit komt deels omdat het de assemblage ingewikkelder maakt. Een soldeermachine kan ervoor zorgen dat een flexibele printplaat doorbuigt en gedeeltelijk gesoldeerd wordt. Dit buigen kan de verbindingen en componenten op de printplaat beschadigen.
Ontwerp
De dikte van een FR-4 plaat moet bepaald worden door de ontwerpvereisten van de plaat. Dunne platen zijn niet beter voor alle soorten projecten. Voor een ontwerp met groeven is bijvoorbeeld een relatief dikke plaat nodig.
Impedantie aanpassing
Voor een plaat met meerdere lagen is de dikte belangrijk omdat de plaat zelf als condensator dient. Het diëlektricum, dat in zekere mate de capaciteit bepaalt, wordt bepaald door de dikte van de printplaat.
Compatibiliteit van componenten
Veel componenten, zoals sommige through-hole componenten, zijn alleen compatibel met een bepaald diktebereik. Daarom is de compatibiliteit van componenten een belangrijke factor om te overwegen bij het bepalen van de dikte van de FR4 PCB.
Gewicht
Het gewicht van een PCB hangt grotendeels af van de dikte van de FR-4 printplaat. Fabrikanten van lichtere producten geven de voorkeur aan dunne printplaten.
Is FR-4 het juiste materiaal voor uw PCB-project?
Voor de meeste elektronicatoepassingen is een FR4 substraat de standaardkeuze. De populariteit van FR-4 is te danken aan de sterkte, lage kosten en betrouwbaarheid van het materiaal. Maar het is niet het beste materiaal voor alle toepassingen. Laminaten met een hoge frequentie zijn te verkiezen voor ontwerpen met een hoge frequentie.
Hier zijn enkele belangrijke factoren om in gedachten te houden bij het kiezen tussen het FR4-materiaal en een hoogfrequent laminaat:
- Kosten: FR-4 is goedkoper dan hoogfrequent materialen. Daarom, als de kosten een zorg zijn voor een fabrikant, is FR-4 zeker een betere optie dan een hoogfrequent laminaat.
- Signaalverlies: Door een hogere dissipatiefactor heeft FR-4 een hoger signaalverlies, wat een probleem is in hoogfrequente situaties. Als FR-4 in een dergelijke toepassing wordt gebruikt, zal er meer signaalverlies in het circuit optreden. Terwijl FR-4 een Df van ongeveer 0,020 heeft, heeft een typisch hoogfrequent laminaat een Df van ongeveer 0,004.
- Impedantiestabiliteit: Voor hoogfrequente ontwerpen en grotere circuits zijn de prestaties afhankelijk van de impedantiestabiliteit. Laminaten voor hoge frequenties hebben de voorkeur voor het behoud van de stabiliteit van de diëlektrische constante. Deze waarde bepaalt op zijn beurt de impedantiestabiliteit, omdat bij FR-4 de Dk-waarde over het hele oppervlak varieert naarmate de temperatuur in de plaat verandert.
- Temperatuurbeheersing: Temperatuurveranderingen beïnvloeden de diëlektrische constante van het basismateriaal. De mate waarin hangt af van de thermische coëfficiënt van de constante. Voor elke graad Celsius verandering in temperatuur heeft FR-4 een thermische coëfficiënt van ongeveer 200 delen per miljoen. Bij hoogfrequent laminaten is dit ongeveer 40 delen per miljoen. Hoewel dit verschil niet zo groot lijkt, is het een belangrijke factor. Het is vooral van belang voor platen die bedoeld zijn voor gebruik in relatief hete omgevingen.
- Diëlektrische constante: In sommige toepassingen kan de diëlektrische constante van de printplaat een cruciale eigenschap zijn. In een hoogfrequent circuit hangt de grootte van de transmissielijnen grotendeels af van de diëlektrische constante. De grootte van het circuit is evenredig met de grootte van de transmissielijnen. Een materiaal met een hoge diëlektrische constante verdient de voorkeur voor een kleinere printplaat. Terwijl de Dk-waarden van hoogfrequent materialen variëren van 6,15 tot 11, heeft FR-4 een Dk-waarde van ongeveer 4,5. Deze lage Dk-waarde kan, in het geval van FR-4, leiden tot een hogere diëlektrische constante. Deze lage Dk-waarde kan FR-4 in sommige gevallen ongeschikt maken voor een kleine printplaat.
- Gebruiksomgeving: Houd bij het kiezen van het basismateriaal van een circuit rekening met de omgeving. Hoogfrequent laminaten zijn beter bestand tegen temperatuur en vocht. Dat is een van de redenen waarom sommige high-end ontwerpers de voorkeur geven aan hoogfrequent laminaten.
Inpakken
Houd rekening met alle relevante factoren bij het kiezen van het basismateriaal van een printplaat en het bepalen van de dikte. Hoewel FR-4 voordelen heeft ten opzichte van hoogfrequent laminaten, is het geen geweldig substraatmateriaal voor alle soorten toepassingen.
In de meeste gevallen zul je FR-4 vrij handig vinden omdat het goedkoop is, en beschikbaar in een breed scala aan maten en diktes. Maar het is belangrijk om de voor- en nadelen tegen elkaar af te wegen en het juiste basismateriaal voor printplaten te kiezen voor je project. We hopen dat je nu beter voorbereid bent om een beslissing te nemen.