FR-4 является самым распространенным материалом для изготовления печатных плат. Но какие именно свойства делают его столь востребованной основой для печатных плат?
Интересно, что многие люди, занимающиеся производством печатных плат, не имеют четкого представления о свойствах FR-4. Многие не знают о его преимуществах перед другими подложками для печатных плат, такими как FR-1, G-10, глинозем и PTFE.
Цель этой заметки - пролить свет на свойства и варианты использования FR-4 в качестве основного материала для печатных плат. Надеемся, что это обсуждение поможет вам принять обоснованное решение.
Что такое FR-4?
FR-4, обозначающий как стандартный рейтинг, так и название, является армированный стеклом эпоксидный ламинат. FR означает огнестойкость, а 4 - рейтинг материала. Это композитный материал, состоящий из слоя стекловолокна, вплетенного в жесткую, огнестойкую эпоксидную смолу.
FR-4 широко используется в качестве материала подложки, или, другими словами, первичной изоляционной основы печатных плат. Низкая стоимость, высокая диэлектрическая прочность и влагостойкость - вот некоторые заметные преимущества FR-4. Эти характеристики делают FR-4 основным материалом для изготовления печатных плат. Сложная схема может быть напечатана на одной или обеих сторонах платы FR-4.
Факторы, которые следует учитывать при выборе толщины печатных плат FR-4
Инженер-электрик, работающий над проектом печатной платы с использованием ламината, должен указать толщину платы. В зависимости от параметров платы ее толщина может измеряться в дюймах, миллиметрах или тысячных долях дюйма. Однако обычно она колеблется от 10 тыс. до 3 дюймов.
С каждым годом электронные гаджеты становятся все меньше. Поэтому толщина печатной платы во многом определяет размер, дизайн, точность и эстетическую привлекательность гаджета. Вот некоторые факторы, которые следует учитывать при определении толщины ламинированной платы:
Космос
Разбавитель Платы FR-4 пользуются большим спросом, чем более толстые. Причина очевидна: гаджеты, такие как аксессуары Bluetooth и USB-разъемы, становятся все меньше. Поскольку они экономят место, маленькие и тонкие платы FR-4 предпочтительнее даже для крупных проектов.
Соединения
Дизайн печатной платы может быть односторонним или двусторонним. Для двусторонней конструкции требуется краевой разъем, соединяющий две стороны. Проблема с ответной частью разъема может привести к повреждению печатной платы. По этой причине материал схемы не выбирается до тех пор, пока схема не будет спроектирована.
Гибкость
В зависимости от конкретного применения гибкость платы FR-4 может быть или не быть желательной характеристикой. Более тонкие платы, как правило, более гибкие. Изделия, которые предполагается регулярно сгибать или нагружать, требуют гибкой платы. Устройства, используемые в автомобильной и медицинской промышленности, часто требуют гибких плат.
Однако когда речь идет о процессе производства печатных плат, гибкость часто оказывается нежелательной характеристикой. Отчасти это связано с тем, что она усложняет процесс сборки. Паяльная машина может вызвать изгиб гибкой платы и частичное спаивание. Такой изгиб может повредить соединения и компоненты, размещенные на плате.
Дизайн
Толщина платы FR-4 должна определяться требованиями к конструкции платы. Тонкие платы подходят не для всех типов проектов. Например, конструкция с канавками требует относительно толстой платы.
Согласование импеданса
Для многослойной платы толщина важна, поскольку сама плата служит конденсатором. Диэлектрик, который в некоторой степени определяет емкость, определяется толщиной платы.
Совместимость компонентов
Многие компоненты, например, некоторые компоненты со сквозными отверстиями, совместимы только с определенным диапазоном толщины. Поэтому совместимость компонентов является важным фактором, который необходимо учитывать при определении толщины печатной платы FR4.
Вес
Вес печатной платы в значительной степени зависит от толщины платы FR-4. Производители легких изделий предпочитают тонкие платы.
Является ли FR-4 подходящим материалом для вашего проекта печатной платы?
Для большинства электронных приложений подложка FR4 является выбором по умолчанию. Популярность FR-4 объясняется прочностью, низкой стоимостью и надежностью материала. Однако это не лучший материал для всех применений. Высокочастотные ламинаты предпочтительнее для высокочастотных конструкций.
Вот несколько ключевых факторов, которые следует учитывать при выборе между материалом FR4 и высокочастотным ламинатом:
- Стоимость: FR-4 дешевле, чем высокочастотные материалы. Поэтому, если для производителя важна стоимость, FR-4, безусловно, лучший вариант, чем высокочастотный ламинат.
- Потеря сигнала: Из-за более высокого тангенса угла диэлектрических потерь FR-4 имеет более высокие потери сигнала, что является проблемой в высокочастотных ситуациях. Если FR-4 используется в таком приложении, потери сигнала в цепи будут больше. В то время как у FR-4 Df составляет около 0,020, у типичного высокочастотного ламината Df составляет около 0,004.
- Стабильность импеданса: Для высокочастотных конструкций и больших схем производительность зависит от стабильности импеданса. Высокочастотные ламинаты предпочтительны для поддержания стабильности диэлектрической проницаемости. Эта величина, в свою очередь, определяет стабильность импеданса. Это связано с тем, что в случае FR-4 при изменении температуры внутри платы значение Dk изменяется по всей площади.
- Управление температурой: Изменение температуры влияет на диэлектрическую проницаемость материала основы. Степень влияния зависит от теплового коэффициента константы. Для каждого градуса Цельсия изменения температуры FR-4 имеет тепловой коэффициент около 200 частей на миллион. Для высокочастотных ламинатов это число составляет около 40 частей на миллион. Хотя эта разница не кажется такой уж большой, она является важным фактором. Особенно это важно для плат, которые предполагается использовать в относительно жарких условиях.
- Диэлектрическая проницаемость: В некоторых приложениях диэлектрическая проницаемость печатной платы может быть решающей характеристикой. В высокочастотных цепях размер линий передачи в значительной степени зависит от диэлектрической проницаемости. Размер схемы пропорционален размеру линий передачи. Материал с высокой диэлектрической проницаемостью предпочтительнее для платы меньшего размера. В то время как значения Dk высокочастотных материалов варьируются от 6,15 до 11, у FR-4 значение Dk составляет около 4,5. Это низкое значение Dk в некоторых случаях может сделать FR-4 неподходящим для небольшой печатной платы.
- Эксплуатационная среда: При выборе материала основы схемы учитывайте условия эксплуатации. Высокочастотные ламинаты обеспечивают более высокий уровень термо- и влагостойкости. Это одна из причин, по которой некоторые дизайнеры высокого класса предпочитают высокочастотные ламинаты.
Подведение итогов
При выборе материала основания печатной платы и определении его толщины учитывайте все соответствующие факторы. Хотя FR-4 имеет преимущества перед высокочастотными ламинатами, это не лучший материал для подложки для всех типов приложений.
В большинстве случаев вы найдете FR-4 довольно удобным, потому что он дешев и доступен в широком диапазоне размеров и толщины. Но важно взвесить все преимущества и недостатки и выбрать правильный материал для основания печатной платы для вашего проекта. Мы надеемся, что теперь вы лучше подготовлены к принятию решения.