FR-4 on yleisin piirilevyissä käytetty materiaali, joka koostuu lasikuidusta ja epoksihartsista. Se on vahva, kevyt ja tarjoaa hyvän eristyksen, joten se sopii parhaiten moniin elektroniikkalaitteisiin. Tässä artikkelissa selitetään FR-4:n rakenne, ominaisuudet, laadut, rajoitukset ja suunnittelutekijät sekä annetaan yksityiskohtaista tietoa siitä, milloin ja miten sitä tulisi käyttää.
FR-4 yleiskatsaus
FR-4 on yleisin materiaali, jota käytetään piirilevyjen (PCB) valmistukseen. Se on valmistettu lasikuidusta ja epoksihartsista, mikä tekee siitä sekä vahvan että hyvän sähköeristyksen. FR tarkoittaa palonestoainetta, mikä tarkoittaa, että se kestää palamista, mutta tämä ei aina tarkoita, että se täyttää tiukan UL 94 V-0 -paloturvallisuusstandardin.
Tämä materiaali on suosittu, koska se on kevyt, kestävä ja edullinen. Se kestää myös hyvin kosteutta ja lämpöä, mikä auttaa elektronisia piirejä pysymään vakaina. Toinen syy FR-4:n käyttöön on se, että se voidaan helposti muotoilla yksikerroksisiksi tai monikerroksisiksi levyiksi ilman suuria kustannuksia.
FR-4-laminaattirakenne
Tässä kuvassa näkyy FR-4-laminaatin kerrosrakenne; yleisin piirilevyissä (PCB) käytetty materiaali. Ylä- ja alareunassa kuparifoliolevyt muodostavat johtavat kerrokset, jotka myöhemmin syövytetään piirikuvioiksi. Näiden kuparilevyjen välissä on ydin: kudottu lasikangas, joka on kyllästetty epoksihartsilla. Lasikudos tarjoaa mekaanisen lujuuden ja mittapysyvyyden, kun taas epoksi sitoo kuidut ja lisää jäykkyyttä. Yhdessä ne luovat eristävän mutta kestävän pohjan. Kuparifolion, lasikuidun ja epoksin yhdistelmä tekee FR-4:stä vahvan, tulenkestävän, ja ihanteellinen piirilevyjäämien tukemiseen ja suojaamiseen.
FR-4:n sähköiset ominaisuudet
| Parametri | FR-4-sarja |
|---|---|
| Dielektrisyysvakio (Dk) | 3.8 – 4.8 |
| Häviökerroin (Df) | \~0,018 – 0,022 |
| Dielektrinen lujuus | >50 kV/mm |
| Vakaus | Vaihtelee taajuuden ja lasin kudoksen mukaan |
FR-4:n lämpöominaisuudet
| Kiinteistö | Standardi FR-4 | Korkealaatuinen FR-4 |
|---|---|---|
| Lasittumislämpötila (Tg) | 130–150 °C | ≥180 °C |
| Hajoamislämpötila (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Aika delaminoitumiseen (T260 / T288) | Pienempi vastus | Suurempi vastus |
FR-4:n paksuus- ja pinoamisvaihtoehdot
| Paksuus / tyyppi | Edut | Rajoitukset | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ohut (<0,5 mm) | Kevyt, kompakti ja joustava | Särkyvä, vaikeampi käsitellä kokoonpanon aikana | Vakio (1,6 mm) | Alan oletusarvo, laajalti saatavilla, kustannustehokas | Voi rajoittaa erittäin kompakteja tai suuritiheyksisiä malleja | Paksu (>2 mm) | Tarjoaa jäykkyyttä ja parempaa tärinänkestävyyttä | Lisää kokonaispainoa ja -kustannuksia |
| Mukautetut monikerroksiset pinot | Mahdollistaa impedanssin ohjauksen, tukee nopeita signaaleja ja parantaa EMI-suojausta | Vaatii tarkkoja valmistusprosesseja, kalliimpaa |
FR-4: n käyttö piirilevyjen suunnitteluun
• Kulutuselektroniikka - Se tarjoaa vakaan perusmateriaalin, joka kestää jokapäiväisen käytön ja perusvirrantarpeet.
• Teollisuuden ohjaukset ja automaatio – FR-4 tarjoaa tasaisen suorituskyvyn järjestelmissä, jotka tarvitsevat kestävyyttä ja tasaista toimintaa pitkällä aikavälillä.
• Virtalähteet ja muuntimet - Erittäin korkeiden taajuuksien alapuolella toimiville piireille FR-4 tarjoaa vaatimukset täyttävän eristyksen ja suorituskyvyn.
• Kustannusherkät mallit - Kun budjetilla on merkitystä, FR-4:n avulla voit pitää tuotantokustannukset alhaisempina luotettavuudesta tinkimättä.
FR-4:n rajat ja paremmat vaihtoehdot
Kun FR-4 ei sovellu
• Korkeataajuiset piirit - Noin 6–10 GHz:n yläpuolella FR-4 aiheuttaa suuremman signaalihäviön, mikä tekee siitä sopimattoman kehittyneisiin RF- tai mikroaaltomalleihin.
• Erittäin korkeat tiedonsiirtonopeudet - Nopeuksilla, kuten PCIe Gen 5 ja uudemmilla (25+ Gbps), FR-4 lisää liikaa viivettä ja lisäyshäviötä, mikä heikentää signaalin eheyttä.
• Korkean lämpötilan olosuhteet - Standardi FR-4 alkaa hajota nopeammin, kun se altistuu yli noin 150 °C:n lämpötiloille, mikä tekee siitä epäluotettavan pitkäaikaiseen käyttöön tällaisissa ympäristöissä.
Vaihtoehtoja FR-4:lle
| Materiaali | Käyttötapaus |
|---|---|
| Rogers-laminaatit | RF- ja mikroaaltouunimallit vaativat pienen signaalihäviön |
| PTFE-komposiitit | Erittäin pieni dielektrinen häviö tarkoille, korkeataajuisille piireille |
| Polyimidi | Kestää korkeissa lämpötiloissa ankarissa olosuhteissa |
| Keramiikka | Äärimmäistä suorituskykyä ja kestävyyttä rasituksessa |
FR-4-luokat ja käyttötarkoitukset
Vakio FR-4
Standardin FR-4 lasittumislämpötila (Tg) on noin 130–150 °C. Se on yleisin laatu, jota käytetään elektroniikassa, toimistolaitteissa ja tavallisissa teollisuuden ohjausjärjestelmissä.
Korkea Tg FR-4
High-Tg FR-4:n Tg-lämpötila on 170–180 °C tai korkeampi. Tätä laatua tarvitaan lyijyttömiin juotosprosesseihin, ja sitä käytetään autoelektroniikassa, ilmailu- ja avaruuslevyissä ja muissa malleissa, jotka tarvitsevat parempaa lämpöstabiilisuutta.
Korkea CTI FR-4
High-CTI FR-4 tarjoaa vertailevan seurantaindeksin (CTI) 600 tai enemmän. Se valitaan virtalähteisiin, muuntimiin ja suurjännitepiireihin, joissa vaaditaan turvallisia ryömintä- ja välysetäisyyksiä.
Halogeeniton FR-4
Halogeenittomalla FR-4:llä on samanlaisia ominaisuuksia kuin tavallisilla tai korkean Tg:n tyypeillä, mutta se välttää halogeenipohjaisia palonestoaineita. Sitä käytetään ympäristöystävällisissä malleissa, joiden on oltava RoHS- ja REACH-ympäristöstandardien mukaisia.
Signaalin eheysongelmat FR-4:ssä
Ongelma
FR-4 käyttää kudottua lasikangasta lujuuden takaamiseksi, mutta tämä kudos ei ole täysin tasainen. Differentiaalipareja reititettäessä yksi jälki voi kulkea pääasiassa lasinippujen yli, joilla on suurempi dielektrisyysvakio, kun taas toinen jälki kulkee hartsin yli, jolla on pienempi dielektrisyysvakio. Tämä epätasainen altistus saa signaalit kulkemaan hieman eri nopeuksilla, mikä luo niin sanotun kuitukudoksen vinon.
Vaikutus
Kahden signaalin välinen nopeusero johtaa ajoitusvirheisiin. Suurilla tiedonsiirtonopeuksilla tämä epäsuhta näkyy differentiaalivinona, lisättynä värinänä ja jopa silmäkaavion sulkeutumisena. Nämä vaikutukset voivat heikentää signaalin eheyttä ja rajoittaa nopeiden viestintäkanavien suorituskykyä.
Ratkaisut
Differentiaaliparien reitittäminen 10–15° kulmassa kudokseen nähden auttaa estämään jälkien kohdistumisen suoraan lasinippuihin. Levitettyjen lasikankaiden, kuten 3313-tyylien, valitseminen tekee dielektrisistä ominaisuuksista yhtenäisempiä kautta linjan. Hämmästyttävät differentiaaliparit varmistavat, että molemmat jäljet kohtaavat samanlaisen materiaalisekoituksen. Budjetoinnin vääristyminen ajoitussimulaatioissa antaa sinun ennustaa ja ottaa huomioon nämä vaikutukset ennen valmistusta.
FR-4:n kosteus- ja luotettavuusriskit
Kosteuden vaikutukset
• Tg-vähennys uudelleenvirtauksen aikana - Imeytynyt kosteus alentaa lasittumislämpötilaa, mikä tekee materiaalista vähemmän stabiilin juottamisen aikana ja voi johtaa irtoamiseen.
• Dielektrinen hajoaminen - Korkeilla taajuuksilla kosteus lisää dielektristä häviötä, mikä heikentää signaalin laatua GHz-nopeuksilla.
• Johtava anodinen filamentti (CAF) – Yksi vakavimmista riskeistä, CAF syntyy, kun kupari-ionit kulkeutuvat epoksin läpi sähköisen esijännityksen alaisena muodostaen piilotettuja johtavia reittejä, jotka voivat aiheuttaa oikosulkuja jälkien tai läpivientien välillä.
Kosteusongelmien vähentäminen
• Säilytä levyt kuivina ja suljettuina kosteuden estämiseksi.
• Paista levyt ennen käyttöä, jos ne ovat altistuneet kosteudelle.
• Valitse CAF-kestävä FR-4 suuritiheyksisiin tai korkeajännitteisiin malleihin.
• Noudata IPC:n etäisyyssääntöjä shortsien riskin vähentämiseksi.
Tekijät, jotka on tarkistettava ennen FR-4:n ostamista
• Määritä laminaatin laatu ja IPC-4101-vinoviiva sekaannusten välttämiseksi.
• Sisällytä taajuuskohtaiset dielektrisyysvakion (Dk) ja häviökertoimen (Df) arvot aiotulle toimintakaistalle.
• Varmista lämpövaatimukset Tg ≥ 170 °C ja Td > 300 °C lyijyttömän juottamisen ja pitkäaikaisen lämmönkestävyyden takaamiseksi.
• Korosta kuparifolion karheutta nopeille kerroksille lisäyshäviön minimoimiseksi.
• Huomioi vertailevan seurantaindeksin (CTI) luokitus, kun suunnittelet suurjännitepolkuja.
• Valitse CAF-kestävä laminaatti tiheään läpivientiin tai suurjännitesovelluksiin.
• Lisää käsittely- tai säilytysohjeet kosteuden hallitsemiseksi ja irtoamisen estämiseksi.
• Pyydä levitettyä lasikangasta differentiaalipareja varten kuitukudoksen vinon vähentämiseksi.
Johtopäätös
FR-4 tarjoaa lujuutta, eristystä, ja kustannustehokkuutta, minkä vuoksi se on edelleen vakiopiirilevymateriaali. Silti sillä on rajoituksia korkeataajuisissa, nopeissa tai korkeissa lämpötiloissa. Tuntemalla sen sähkö-, lämpö- ja luotettavuustekijät ja valitsemalla oikean laadun voit varmistaa vakaan suorituskyvyn tai vaihtaa parempiin vaihtoehtoihin, kun suunnittelu sitä vaatii.
Usein kysytyt kysymykset [FAQ]
Mikä on IPC-4101 FR-4:ssä?
Se on standardi, joka määrittelee FR-4-laminaatin ominaisuudet, kuten Tg, Dk ja kosteuden imeytyminen.
Miten FR-4 eroaa metalliydinpiirilevyistä?
FR-4 on tarkoitettu yleisille piirilevyille, kun taas metalliytimiset piirilevyt käyttävät alumiinia tai kuparia paremman lämmönpoiston saavuttamiseksi.
Voidaanko FR-4:ää käyttää joustavissa piirilevyissä?
Ei, FR-4 on jäykkä. Se voi olla vain osa jäykkiä joustomalleja, joissa on polyimidikerroksia.
Mikä on FR-4:n kosteuden imeytyminen?
Noin 0.10–0.20 %, mikä voi heikentää stabiilisuutta, jos sitä ei paisteta tai säilytetä oikein.
Onko FR-4 hyvä korkeajännitepiireille?
Kyllä, korkean CTI:n laatuja (CTI ≥ 600) käytetään virtalähteissä ja muuntimissa.
Miksi kuparifolion karheudella on merkitystä FR-4:ssä?
Karkeat kalvot lisäävät signaalihäviötä; Sileät kalvot parantavat nopeaa suorituskykyä.