FR-4 je najpoužívanejším materiálom substrátu pre dosky s plošnými spojmi. Aké vlastnosti ho však robia takým vyhľadávaným základom pre plošné spoje?
Je zaujímavé, že mnohí ľudia zapojení do výroby PCB nemajú jasnú predstavu o vlastnostiach FR-4. Mnohí nepoznajú jeho výhody oproti iným substrátom PCB, ako sú FR-1, G-10, hliník a PTFE.
Cieľom tohto príspevku je objasniť vlastnosti a prípady použitia FR-4 ako základného materiálu pre dosky s plošnými spojmi. Dúfame, že vám táto diskusia pomôže pri rozhodovaní na základe informácií.
Čo je FR-4?
FR-4, ktorý sa vzťahuje na štandardné hodnotenie aj na názov, je epoxidový laminátový materiál vystužený sklom. Skratka FR znamená nehorľavosť a 4 označuje stupeň odolnosti materiálu. Ide o kompozitný materiál zložený z vrstvy sklených vlákien votkaných do tuhej epoxidovej živice odolnej voči horeniu.
FR-4 sa široko používa ako substrátový materiál alebo inými slovami ako primárna izolačná kostra dosiek s plošnými spojmi. Nízke náklady, vysoká dielektrická pevnosť a odolnosť voči vlhkosti sú niektoré významné výhody FR-4. Vďaka týmto vlastnostiam je FR-4 obľúbeným substrátovým materiálom pre dosky s plošnými spojmi. Sofistikovaný obvod môže byť vytlačený na jednej alebo oboch stranách dosky FR-4.
Faktory, ktoré treba zvážiť pri výbere hrúbky dosiek s plošnými spojmi FR-4
Elektrotechnik pracujúci na projekte PCB, ktorý zahŕňa použitie laminátovej dosky, musí určiť hrúbku dosky. V závislosti od nastavenia dosky sa jej hrúbka môže merať v palcoch, milimetroch alebo tisícinách palca. Zvyčajne sa však pohybuje od 10 thou do 3 palcov.
Elektronické miniaplikácie sa každým rokom zmenšujú. Preto hrúbka dosky plošných spojov do veľkej miery určuje veľkosť, dizajn, presnosť a estetický vzhľad miniaplikácie. Tu je niekoľko faktorov, ktoré treba mať na pamäti pri určovaní hrúbky laminátovej dosky:
Priestor
Tenšie Dosky FR-4 sú žiadanejšie ako hrubšie. Dôvod je zrejmý: pomôcky, ako napríklad príslušenstvo Bluetooth a konektory USB, sa zmenšujú. Keďže šetria miesto, menšie a tenšie dosky FR-4 sú vhodnejšie aj pre väčšie projekty.
Pripojenia
Návrh PCB môže byť jednostranný alebo obojstranný. Pri obojstrannom návrhu je potrebný okrajový konektor, ktorý spája obe strany. Problém so spojovacou časťou konektora môže poškodiť DPS. To je dôvod, prečo sa materiál obvodu vyberá až po návrhu obvodu.
Flexibilita
V závislosti od konkrétnej aplikácie môže, ale nemusí byť flexibilita dosky FR-4 žiaducou vlastnosťou. Tenšie dosky bývajú pružnejšie. Výrobok, ktorý sa má pravidelne ohýbať alebo namáhať, si vyžaduje pružnú dosku. Zariadenia používané v automobilovom a zdravotníckom sektore si často vyžadujú flexibilné dosky.
Pokiaľ však ide o proces výroby DPS, flexibilita je často nežiaducou vlastnosťou. Čiastočne preto, lebo komplikuje montáž. Spájkovací stroj môže spôsobiť, že sa flexibilná doska ohne a čiastočne sa spájkuje. Toto ohýbanie môže poškodiť spoje a komponenty umiestnené na doske.
Dizajn
Hrúbka dosky FR-4 sa musí určiť podľa konštrukčných požiadaviek na dosku. Tenké dosky nie sú vhodnejšie pre všetky typy projektov. Napríklad projekt, ktorý obsahuje drážky, si vyžaduje relatívne hrubú dosku.
Impedančné prispôsobenie
Pri viacvrstvovej doske je hrúbka dôležitá, pretože samotná doska slúži ako kondenzátor. Dielektrikum, ktoré do určitej miery určuje kapacitu, je určené hrúbkou dosky.
Kompatibilita komponentov
Mnohé komponenty, ako napríklad niektoré priechodné komponenty, sú kompatibilné len s určitým rozsahom hrúbky. Preto je kompatibilita komponentov dôležitým faktorom, ktorý treba zohľadniť pri určovaní hrúbky dosky plošných spojov FR4.
Hmotnosť
Hmotnosť dosky s plošnými spojmi do veľkej miery závisí od hrúbky dosky FR-4. Výrobcovia ľahších výrobkov uprednostňujú tenké dosky.
Je FR-4 správny materiál pre váš projekt PCB?
Pre väčšinu elektronických aplikácií je štandardnou voľbou substrát FR4. Obľúbenosť materiálu FR-4 je spôsobená jeho pevnosťou, nízkou cenou a spoľahlivosťou. Nie je to však najlepší materiál pre všetky aplikácie. Vysokofrekvenčné lamináty sú vhodnejšie pre vysokofrekvenčné konštrukcie.
Tu je niekoľko kľúčových faktorov, ktoré treba mať na pamäti pri výbere medzi materiálom FR4 a vysokofrekvenčným laminátom:
- Náklady: FR-4 je lacnejší ako vysokofrekvenčné materiály. Preto ak sú pre výrobcu dôležité náklady, FR-4 je určite lepšou voľbou ako vysokofrekvenčný laminát.
- Strata signálu: FR-4 má kvôli vyššiemu činiteľu rozptylu vyššiu stratu signálu, čo je problém vo vysokofrekvenčných situáciách. Ak sa FR-4 použije v takejto aplikácii, v obvode bude väčšia strata signálu. Zatiaľ čo FR-4 má Df približne 0,020, typický vysokofrekvenčný laminát má Df približne 0,004.
- Impedančná stabilita: Pri vysokofrekvenčných konštrukciách a väčších obvodoch závisí výkon od impedančnej stability. Vysokofrekvenčné lamináty sú vhodnejšie na zachovanie stability dielektrickej konštanty. Táto hodnota následne určuje impedančnú stabilitu.V prípade FR-4 sa totiž pri zmenách teploty v rámci dosky mení hodnota Dk v celej oblasti.
- Riadenie teploty: Zmeny teploty ovplyvňujú dielektrickú konštantu základného materiálu. Rozsah závisí od teplotného koeficientu konštanty. Na každý stupeň Celzia zmeny teploty má FR-4 tepelný koeficient približne 200 dielov na milión. Pri vysokofrekvenčných laminátoch je toto číslo približne 40 dielov na milión. Hoci tento rozdiel nevyzerá až taký veľký, je to dôležitý faktor. Má význam najmä pri doskách, ktoré sú určené na používanie v relatívne horúcom prostredí.
- Dielektrická konštanta: V niektorých aplikáciách môže byť dielektrická konštanta dosky s plošnými spojmi rozhodujúcou vlastnosťou. Vo vysokofrekvenčnom obvode veľkosť prenosových vedení do značnej miery závisí od dielektrickej konštanty. Veľkosť obvodu je úmerná veľkosti prenosových vedení. Materiál s vysokou dielektrickou konštantou je vhodnejší pre menšie dosky. Zatiaľ čo hodnoty Dk vysokofrekvenčných materiálov sa pohybujú od 6,15 do 11, FR-4 má hodnotu Dk približne 4,5. Táto nízka hodnota Dk môže v niektorých prípadoch spôsobiť, že FR-4 nie je vhodný pre malé dosky plošných spojov.
- Prevádzkové prostredie: Pri výbere základného materiálu obvodu zohľadnite prostredie. Vysokofrekvenčné lamináty poskytujú vyššiu úroveň odolnosti voči teplote a vlhkosti. To je jeden z dôvodov, prečo niektorí špičkoví konštruktéri uprednostňujú vysokofrekvenčné lamináty.
Zhrnutie
Pri výbere základného materiálu dosky plošných spojov a určovaní jej hrúbky zvážte všetky relevantné faktory. Hoci má FR-4 oproti vysokofrekvenčným laminátom výhody, nie je to skvelý podkladový materiál pre všetky typy aplikácií.
Vo väčšine prípadov je FR-4 veľmi výhodný, pretože je lacný a dostupný v širokej škále veľkostí a hrúbok. Je však dôležité zvážiť výhody a nevýhody a vybrať si správny základný materiál dosky plošných spojov pre váš projekt. Dúfame, že teraz ste na rozhodovanie lepšie pripravení.