FR-4 baskılı devre kartları için en yaygın kullanılan alt tabaka malzemesidir. Ancak tam olarak hangi özellikler onu bu kadar aranan bir PCB tabanı haline getiriyor?
İlginç bir şekilde, PCB üretiminde yer alan birçok kişi FR-4'ün özelliklerini net bir şekilde anlamamaktadır. Birçoğu, FR-1, G-10, Alümina ve PTFE gibi diğer PCB substratlarına göre avantajlarını bilmiyor.
Bu yazının amacı, baskılı devre kartları için temel malzeme olarak FR-4'ün özelliklerine ve kullanım durumlarına ışık tutmaktır. Umarım bu tartışma bilinçli kararlar vermenize yardımcı olur.
FR-4 nedir?
Hem standart bir derecelendirmeye hem de bir isme atıfta bulunan FR-4, bir cam takviyeli epoksi laminat malzeme. FR alev geciktirici anlamına gelir ve 4 malzemenin derecesini ifade eder. Sert, aleve dayanıklı epoksi reçine içine dokunmuş bir fiberglas tabakadan oluşan kompozit bir malzemedir.
FR-4, bir alt tabaka malzemesi veya başka bir deyişle, baskılı devre kartlarının birincil yalıtım omurgası olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Düşük maliyet, yüksek dielektrik dayanımı ve nem direnci FR-4'ün bazı önemli avantajlarıdır. Bu özellikler FR-4'ü baskılı devre kartları için alt tabaka malzemesi haline getirmektedir. FR-4 kartının bir veya her iki tarafına karmaşık bir devre basılabilir.
FR-4 Baskılı Devre Kartlarının Kalınlığını Seçerken Dikkat Edilmesi Gereken Faktörler
Laminat kart kullanımını içeren bir PCB projesi üzerinde çalışan bir elektrik mühendisi, kartın kalınlığını belirtmelidir. Kartın ayarına bağlı olarak, kalınlığı inç, milimetre veya thou cinsinden ölçülebilir - bu da bir inçin binde birini ifade eder. Ancak, genellikle 10 inç ile 3 inç arasında değişir.
Elektronik aletler her geçen yıl daha da küçülüyor. Bu nedenle, bir PCB kartının kalınlığı büyük ölçüde bir aygıtın boyutunu, tasarımını, hassasiyetini ve estetik çekiciliğini belirler. İşte bir laminat levhanın kalınlığını belirlerken akılda tutulması gereken bazı faktörler:
Uzay
Tiner FR-4 panoları daha kalın olanlardan daha fazla talep görmektedir. Bunun nedeni de çok açık: Bluetooth aksesuarları ve USB konektörleri gibi aygıtlar giderek küçülüyor. Yerden tasarruf sağladıkları için, daha küçük ve daha ince FR-4 kartlar daha büyük projeler için bile tercih ediliyor.
Bağlantılar
Bir PCB tasarımı tek taraflı veya iki taraflı olabilir. İki taraflı bir tasarım için iki tarafı birbirine bağlayan bir kenar konektörü gereklidir. Konektörün eşleşme kısmındaki bir sorun PCB'ye zarar verebilir. Devre tasarlanana kadar devre malzemesinin seçilmemesinin bir nedeni de budur.
Esneklik
Belirli bir uygulamaya bağlı olarak, bir FR-4 kartının esnekliği arzu edilen bir özellik olabilir veya olmayabilir. Daha ince levhalar daha esnek olma eğilimindedir. Düzenli olarak bükülmesi veya gerilmesi amaçlanan bir ürün esnek bir tahta gerektirir. Otomotiv ve tıp sektörlerinde kullanılan cihazlar genellikle esnek panolar gerektirir.
Bununla birlikte, PCB üretim süreci söz konusu olduğunda, esneklik genellikle istenmeyen bir özelliktir. Bunun nedeni kısmen montajı daha karmaşık hale getirmesidir. Bir lehimleme makinesi esnek bir kartın esnemesine ve kısmen lehimlenmesine neden olabilir. Bu esneme, kart üzerine yerleştirilen bağlantılara ve bileşenlere zarar verebilir.
Tasarım
Bir FR-4 levhanın kalınlığı, levhanın tasarım gereksinimlerine göre belirlenmelidir. İnce levhalar her tür proje için daha iyi değildir. Örneğin, oluklar içeren bir tasarım nispeten kalın bir pano gerektirir.
Empedans Eşleştirme
Çok katmanlı bir kart için kalınlık önemlidir çünkü kartın kendisi bir kapasitör görevi görür. Kapasitansı bir dereceye kadar belirleyen dielektrik, kartın kalınlığı ile belirlenir.
Bileşenlerin uyumluluğu
Bazı açık delikli bileşenler gibi birçok bileşen, yalnızca belirli bir kalınlık aralığıyla uyumludur. Bu nedenle bileşen uyumluluğu, FR4 PCB kalınlığını belirlerken dikkate alınması gereken önemli bir faktördür.
Ağırlık
Bir PCB'nin ağırlığı büyük ölçüde FR-4 kartının kalınlığına bağlıdır. Daha hafif ürün üreticileri ince levhaları tercih eder.
FR-4 PCB Projeniz için Doğru Malzeme mi?
Çoğu elektronik uygulama için FR4 alt tabaka varsayılan seçimdir. FR-4'ün popülaritesi malzemenin gücüne, düşük maliyetine ve güvenilirliğine borçludur. Ancak tüm uygulamalar için en iyi malzeme değildir. Yüksek frekanslı tasarımlar için yüksek frekanslı laminatlar tercih edilir.
FR4 malzemesi ile yüksek frekanslı laminat arasında seçim yaparken akılda tutulması gereken bazı temel faktörler şunlardır:
- Maliyet: FR-4, yüksek frekanslı malzemelerden daha ucuzdur. Bu nedenle, maliyet bir üretici için bir endişe kaynağı ise, FR-4 kesinlikle yüksek frekanslı bir laminattan daha iyi bir seçenektir.
- Sinyal kaybı: Daha yüksek bir dağılma faktörü nedeniyle, FR-4 daha yüksek bir sinyal kaybına sahiptir, bu da yüksek frekanslı durumlarda bir sorundur. Böyle bir uygulamada FR-4 kullanılırsa, devrede daha fazla sinyal kaybı olacaktır. FR-4 yaklaşık 0,020'lik bir Df'ye sahipken, tipik bir yüksek frekanslı laminat yaklaşık 0,004'lük bir Df'ye sahiptir.
- Empedans kararlılığı: Yüksek frekanslı tasarımlar ve daha büyük devreler için performans empedans kararlılığına bağlıdır. Yüksek frekanslı laminatlar, dielektrik sabitinin stabilitesini korumak için tercih edilir. Bu değer de empedans kararlılığını belirler, çünkü FR-4 ile kart içindeki sıcaklık değiştikçe Dk değeri alan boyunca değişir.
- Sıcaklık yönetimi: Sıcaklıktaki değişiklikler temel malzemenin dielektrik sabitini etkiler. Kapsam, sabitin termal katsayısına bağlıdır. Sıcaklıktaki her santigrat derece değişim için FR-4'ün termal katsayısı milyonda yaklaşık 200 parçadır. Yüksek frekanslı laminatlarda bu sayı milyonda 40 parça civarındadır. Bu fark o kadar büyük görünmese de önemli bir faktördür. Özellikle nispeten sıcak ortamlarda kullanılması amaçlanan panolar için önemlidir.
- Dielektrik sabiti: Bazı uygulamalarda devre kartının dielektrik sabiti çok önemli bir özellik olabilir. Yüksek frekanslı bir devrede, iletim hatlarının boyutu büyük ölçüde dielektrik sabitine bağlıdır. Devre boyutu, iletim hatlarının boyutu ile orantılıdır. Daha küçük bir kart için yüksek dielektrik sabitine sahip bir malzeme tercih edilir. Yüksek frekanslı malzemelerin Dk değerleri 6,15 ila 11 arasında değişirken, FR-4 yaklaşık 4,5 Dk değerine sahiptir. Bu düşük Dk değeri, bazı durumlarda FR-4'ü küçük bir PCB kartı için uygunsuz hale getirebilir.
- Çalışma ortamı: Bir devrenin temel malzemesini seçerken ortamı göz önünde bulundurun. Yüksek frekanslı laminatlar daha yüksek seviyede sıcaklık ve nem direnci sağlar. Bazı üst düzey tasarımcıların yüksek frekanslı laminatları tercih etmesinin nedenlerinden biri de budur.
Toparlıyoruz
Bir devre kartının temel malzemesini seçerken ve kalınlığını belirlerken ilgili tüm faktörleri göz önünde bulundurun. FR-4, yüksek frekanslı laminatlara göre avantajlara sahip olsa da, her tür uygulama için mükemmel bir alt tabaka malzemesi değildir.
Çoğu durumda, FR-4'ü oldukça uygun bulacaksınız çünkü ucuzdur ve çok çeşitli boyut ve kalınlıklarda mevcuttur. Ancak avantajları ve dezavantajları tartmak ve projeniz için doğru devre kartı temel malzemesini seçmek önemlidir. Umarız şimdi karar vermek için daha iyi hazırlanmışsınızdır.