FR-4 є найпоширенішим матеріалом підкладки для друкованих плат. Але які саме властивості роблять його такою затребуваною основою для друкованих плат?
Цікаво, що багато людей, які займаються виробництвом друкованих плат, не мають чіткого уявлення про властивості FR-4. Багато хто не знає його переваг над іншими підкладками для друкованих плат, такими як FR-1, G-10, глинозем і PTFE.
Мета цієї статті - пролити світло на властивості та випадки використання FR-4 як базового матеріалу для друкованих плат. Сподіваємось, ця дискусія допоможе вам прийняти обґрунтоване рішення.
Що таке FR-4?
FR-4, який відноситься як до стандартного рейтингу, так і до назви, - це армований скловолокном епоксидний ламінат. FR означає вогнестійкий, а 4 - клас вогнестійкості матеріалу. Це композитний матеріал, що складається з шару скловолокна, вплетеного в жорстку, вогнестійку епоксидну смолу.
FR-4 широко використовується як матеріал підкладки, або, іншими словами, як основна ізоляційна основа друкованих плат. Низька вартість, висока діелектрична міцність і вологостійкість - ось деякі з помітних переваг FR-4. Ці характеристики роблять FR-4 основним матеріалом підкладки для друкованих плат. Складна схема може бути надрукована на одній або обох сторонах плати FR-4.
Фактори, які слід враховувати при виборі товщини друкованих плат FR-4
Інженер-електрик, який працює над проектом друкованої плати, що передбачає використання ламінованої дошки, повинен вказати товщину дошки. Залежно від параметрів плати, її товщина може вимірюватися в дюймах, міліметрах або тисячних частках дюйма. Однак зазвичай вона коливається від 10 тис. до 3 дюймів.
З кожним роком електронні гаджети стають все меншими. Тому товщина друкованої плати багато в чому визначає розмір, дизайн, точність і естетичну привабливість гаджета. Ось деякі фактори, які слід мати на увазі при визначенні товщини ламінованої плати:
Простір
Тонше. Плати FR-4 користуються більшим попитом, ніж товсті. Причина очевидна: гаджети, такі як Bluetooth-аксесуари та USB-роз'єми, стають все меншими. Оскільки вони економлять простір, менші та тонші плати FR-4 є кращими навіть для великих проектів.
З'єднання
Дизайн друкованої плати може бути одностороннім або двостороннім. Для двостороннього дизайну необхідний крайовий роз'єм, який з'єднує дві сторони. Проблема зі сполучною частиною роз'єму може призвести до пошкодження друкованої плати. Це причина, чому матеріал схеми не вибирається до тих пір, поки схема не буде спроектована.
Гнучкість
Залежно від конкретного застосування, гнучкість плати FR-4 може бути, а може і не бути бажаною характеристикою. Більш тонкі плити, як правило, більш гнучкі. Вироби, які передбачається регулярно згинати або піддавати навантаженням, потребують гнучкої плати. Пристрої, що використовуються в автомобільній та медичній галузях, часто потребують гнучких плат.
Однак, коли мова йде про процес виробництва друкованих плат, гнучкість часто є небажаною характеристикою. Частково це пов'язано з тим, що вона ускладнює збірку. Паяльна машина може призвести до того, що гнучка плата буде згинатися і частково припаюватися. Таке згинання може пошкодити з'єднання та компоненти, розміщені на платі.
Дизайн
Товщина плити FR-4 повинна визначатися конструктивними вимогами, що пред'являються до плити. Тонкі дошки не є кращими для всіх типів проектів. Наприклад, конструкція з пазами вимагає відносно товстої дошки.
Узгодження імпедансу
Для багатошарової плати товщина має важливе значення, оскільки сама плата слугує конденсатором. Діелектрик, який певною мірою визначає ємність, визначається товщиною плати.
Сумісність компонентів
Багато компонентів, наприклад, деякі компоненти з наскрізними отворами, сумісні лише з певним діапазоном товщини. Ось чому сумісність компонентів є важливим фактором, який слід враховувати при визначенні товщини друкованої плати FR4.
Вага
Вага друкованої плати значною мірою залежить від товщини плати FR-4. Виробники легких виробів надають перевагу тонким платам.
Чи є FR-4 правильним матеріалом для вашого проекту друкованої плати?
Для більшості застосувань в електроніці підкладка FR4 є вибором за замовчуванням. Популярність FR-4 пояснюється міцністю, низькою вартістю та надійністю матеріалу. Але це не найкращий матеріал для всіх застосувань. Для високочастотних конструкцій краще використовувати високочастотні ламінати.
Ось деякі ключові фактори, які слід враховувати при виборі між матеріалом FR4 і високочастотним ламінатом:
- Вартість: FR-4 дешевший за високочастотні матеріали. Тому, якщо вартість є проблемою для виробника, FR-4, безумовно, є кращим варіантом, ніж високочастотний ламінат.
- Втрата сигналу: Через вищий тангенс кута діелектричних втрат FR-4 має вищі втрати сигналу, що є проблемою у високочастотних ситуаціях. Якщо FR-4 використовується в таких умовах, в ланцюзі буде більше втрат сигналу. У той час як FR-4 має тангенс кута діелектричних втрат близько 0,020, типовий високочастотний ламінат має тангенс кута діелектричних втрат близько 0,004.
- Стабільність імпедансу: Для високочастотних конструкцій і великих схем продуктивність залежить від стабільності імпедансу. Високочастотні ламінати є кращими для підтримки стабільності діелектричної проникності. Це значення, в свою чергу, визначає стабільність імпедансу, оскільки у FR-4 при зміні температури всередині плати значення Dk змінюється по всій площі.
- Управління температурою: Зміна температури впливає на діелектричну проникність матеріалу основи. Ступінь залежить від теплового коефіцієнта діелектричної проникності. На кожен градус зміни температури FR-4 має термічний коефіцієнт близько 200 частин на мільйон. У високочастотних ламінатів цей показник становить близько 40 частин на мільйон. Хоча ця різниця не виглядає такою великою, це важливий фактор. Це особливо важливо для дощок, які призначені для використання у відносно гарячому середовищі.
- Діелектрична проникність: У деяких застосуваннях діелектрична проникність друкованої плати може бути вирішальною характеристикою. У високочастотному контурі розмір ліній передачі значною мірою залежить від діелектричної проникності. Розмір контуру пропорційний розміру ліній передачі. Матеріал з високою діелектричною проникністю є кращим для меншої плати. У той час як значення Dk високочастотних матеріалів коливається від 6,15 до 11, FR-4 має значення Dk близько 4,5. Таке низьке значення Dk може в деяких випадках зробити FR-4 непридатним для невеликих плат друкованих плат.
- Робоче середовище: Вибираючи матеріал основи контуру, враховуйте навколишнє середовище. Високочастотні ламінати забезпечують вищий рівень термо- і вологостійкості. Це одна з причин, чому деякі висококласні дизайнери віддають перевагу високочастотним ламінатам.
Підбиваємо підсумки.
При виборі матеріалу основи друкованої плати та визначенні її товщини враховуйте всі відповідні фактори. Хоча FR-4 має переваги перед високочастотними ламінатами, це не найкращий матеріал для підкладки для всіх типів застосувань.
У більшості випадків ви знайдете FR-4 досить зручним, оскільки він дешевий і доступний у широкому діапазоні розмірів і товщини. Але важливо зважити всі переваги та недоліки і вибрати правильний матеріал основи друкованої плати для вашого проекту. Сподіваємось, тепер ви краще підготовлені до прийняття рішення.