FR-4 é o material de substrato mais amplamente usado para placas de circuito impresso. Mas quais são exatamente as propriedades que o tornam uma base de PCB tão procurada?
É interessante notar que muitas pessoas envolvidas na fabricação de PCBs não têm um entendimento claro das propriedades do FR-4. Muitos não conhecem suas vantagens em relação a outros substratos de PCB, como FR-1, G-10, alumina e PTFE.
O objetivo desta postagem é esclarecer as propriedades e os casos de uso do FR-4 como material de base para placas de circuito impresso. Esperamos que essa discussão o ajude a tomar decisões bem informadas.
O que é o FR-4?
O FR-4, que se refere tanto a uma classificação padrão quanto a um nome, é um material laminado epóxi reforçado com vidro. FR significa retardante de chamas e 4 refere-se à classificação do material. É um material composto por uma camada de fibra de vidro tecida em uma resina epóxi rígida e resistente a chamas.
O FR-4 é amplamente utilizado como material de substrato ou, em outras palavras, como a espinha dorsal isolante primária das placas de circuito impresso. O baixo custo, a alta rigidez dielétrica e a resistência à umidade são algumas das vantagens notáveis do FR-4. Esses recursos fazem do FR-4 o material de substrato preferido para placas de circuito impresso. Um circuito sofisticado pode ser impresso em um ou ambos os lados de uma placa de FR-4.
Fatores a serem considerados ao selecionar a espessura das placas de circuito impresso FR-4
Um engenheiro elétrico que trabalha em um projeto de PCB que envolve o uso de uma placa laminada deve especificar a espessura da placa. Dependendo da configuração da placa, sua espessura pode ser medida em polegadas, milímetros ou milésimos de polegada. No entanto, ela geralmente varia de 10 mil a 3 polegadas.
Os aparelhos eletrônicos estão ficando menores a cada ano que passa. Portanto, a espessura de uma placa PCB determina em grande parte o tamanho, o design, a precisão e o apelo estético de um gadget. Aqui estão alguns fatores que você deve ter em mente ao determinar a espessura de uma placa laminada:
Espaço
Mais fino Placas FR-4 são mais procurados do que os mais grossos. E o motivo é óbvio: aparelhos como acessórios Bluetooth e conectores USB estão ficando menores. Por economizarem espaço, as placas FR-4 menores e mais finas são preferíveis até mesmo para projetos maiores.
Conexões
Um projeto de PCB pode ter um ou dois lados. Um conector de borda, que conecta os dois lados, é necessário para um projeto de dois lados. Um problema com a parte de encaixe do conector pode danificar a PCB. Essa é a razão pela qual o material de um circuito não é escolhido até que o circuito tenha sido projetado.
Flexibilidade
Dependendo da aplicação específica, a flexibilidade de uma placa FR-4 pode ou não ser um recurso desejável. Placas mais finas tendem a ser mais flexíveis. Um produto que se destina a ser flexionado ou tensionado regularmente requer uma placa flexível. Os dispositivos usados nos setores automotivo e médico geralmente exigem placas flexíveis.
No entanto, quando se trata do processo de fabricação de PCBs, a flexibilidade costuma ser um recurso indesejável. Isso se deve, em parte, ao fato de que ela torna a montagem mais complicada. Uma máquina de solda pode fazer com que uma placa flexível se flexione e seja parcialmente soldada. Essa flexão pode danificar as conexões e os componentes colocados na placa.
Design
A espessura de uma placa FR-4 deve ser determinada pelos requisitos de design da placa. Placas finas não são melhores para todos os tipos de projetos. Por exemplo, um projeto que apresenta ranhuras requer uma placa relativamente grossa.
Correspondência de impedância
Em uma placa com várias camadas, a espessura é importante porque a própria placa funciona como um capacitor. O dielétrico, que determina a capacitância até certo ponto, é determinado pela espessura da placa.
Compatibilidade dos componentes
Muitos componentes, como alguns componentes de orifício passante, são compatíveis apenas com uma determinada faixa de espessura. É por isso que a compatibilidade dos componentes é um fator importante a ser considerado ao determinar a espessura da placa de circuito impresso FR4.
Peso
O peso de uma PCB depende muito da espessura da placa FR-4. Os fabricantes de produtos mais leves preferem placas finas.
O FR-4 é o material certo para seu projeto de PCB?
Para a maioria das aplicações eletrônicas, o substrato FR4 é a escolha padrão. A popularidade do FR-4 se deve à resistência, ao baixo custo e à confiabilidade do material. Mas ele não é o melhor material para todas as aplicações. Os laminados de alta frequência são preferíveis para projetos de alta frequência.
Aqui estão alguns fatores importantes que devem ser levados em conta ao escolher entre o material FR4 e um laminado de alta frequência:
- Custo: O FR-4 é mais barato do que os materiais de alta frequência. Portanto, se o custo for uma preocupação para um fabricante, o FR-4 é definitivamente uma opção melhor do que um laminado de alta frequência.
- Perda de sinal: Devido a um fator de dissipação mais alto, o FR-4 tem uma perda de sinal maior, o que é um problema em situações de alta frequência. Se o FR-4 for usado em uma aplicação desse tipo, haverá mais perda de sinal no circuito. Enquanto o FR-4 tem um Df de cerca de 0,020, um laminado típico de alta frequência tem um Df de cerca de 0,004.
- Estabilidade da impedância: Para projetos de alta frequência e circuitos maiores, o desempenho depende da estabilidade da impedância. Os laminados de alta frequência são preferíveis para manter a estabilidade da constante dielétrica. Esse valor, por sua vez, determina a estabilidade da impedância. Isso ocorre porque, com o FR-4, conforme a temperatura muda dentro da placa, o valor Dk varia em toda a área.
- Gerenciamento de temperatura: As mudanças na temperatura afetam a constante dielétrica do material de base. A extensão depende do coeficiente térmico da constante. Para cada mudança de grau Celsius na temperatura, o FR-4 tem um coeficiente térmico de cerca de 200 partes por milhão. Com laminados de alta frequência, esse número é de cerca de 40 partes por milhão. Embora essa diferença não pareça tão grande, ela é um fator importante. Ela é importante principalmente para placas que devem ser usadas em ambientes relativamente quentes.
- Constante dielétrica: em algumas aplicações, a constante dielétrica da placa de circuito pode ser um recurso crucial. Em um circuito de alta frequência, o tamanho das linhas de transmissão depende muito da constante dielétrica. O tamanho do circuito é proporcional ao tamanho das linhas de transmissão. Um material com uma alta constante dielétrica é preferível para uma placa menor. Embora os valores de Dk dos materiais de alta frequência variem de 6,15 a 11, o FR-4 tem um valor de Dk de cerca de 4,5. Esse baixo valor de Dk pode, em alguns casos, tornar o FR-4 inadequado para uma placa de circuito impresso pequena.
- Ambiente operacional: Ao escolher o material de base de um circuito, considere o ambiente. Os laminados de alta frequência oferecem um nível mais alto de resistência à temperatura e à umidade. Esse é um dos motivos pelos quais alguns projetistas de ponta preferem os laminados de alta frequência.
Concluindo
Considere todos os fatores relevantes ao escolher o material de base de uma placa de circuito e determinar sua espessura. Embora o FR-4 tenha vantagens sobre os laminados de alta frequência, ele não é um ótimo material de substrato para todos os tipos de aplicações.
Na maioria dos casos, você achará o FR-4 bastante conveniente porque é barato e está disponível em uma ampla variedade de tamanhos e espessuras. Mas é importante pesar as vantagens e desvantagens e escolher o material de base da placa de circuito certo para seu projeto. Esperamos que agora você esteja mais bem preparado para tomar uma decisão.