FR-4 je najbežnejší materiál používaný pre dosky plošných spojov, zložený zo sklenených vlákien a epoxidovej živice. Je pevný, ľahký a poskytuje dobrú izoláciu, vďaka čomu je najvhodnejší pre mnoho elektroniky. Tento článok vysvetľuje štruktúru, vlastnosti, stupne, obmedzenia a konštrukčné faktory FR-4 a poskytuje podrobné informácie o tom, kedy a ako by sa mal používať.
Č. 9. Problémy s integritou signálu vo FR-4
Prehľad FR-4
FR-4 je najbežnejším materiálom používaným na výrobu dosiek plošných spojov (PCB). Je vyrobený zo sklenených vlákien a epoxidovej živice, vďaka čomu je pevný a dobrý pri izolácii elektriny. FR znamená spomaľovač horenia, čo znamená, že odoláva horeniu, ale to nie vždy znamená, že spĺňa prísnu normu požiarnej bezpečnosti UL 94 V-0.
Tento materiál je obľúbený, pretože je ľahký, odolný a cenovo dostupný. Dobre tiež odoláva vlhkosti a teplu, čo pomáha elektronickým obvodom zostať stabilnými. Ďalším dôvodom, prečo sa FR-4 používa, je to, že sa dá ľahko tvarovať do jednovrstvových alebo viacvrstvových dosiek bez toho, aby sa zvýšili veľké náklady.
Laminátová štruktúra FR-4
Tento obrázok ukazuje vrstvenú štruktúru laminátu FR-4; najbežnejší materiál používaný v doskách plošných spojov (PCB). V hornej a dolnej časti tvoria dosky z medenej fólie vodivé vrstvy, ktoré sa neskôr vyleptajú do vzorov obvodov. Medzi týmito medenými plechmi leží jadro: tkaná sklenená tkanina impregnovaná epoxidovou živicou. Sklenená väzba poskytuje mechanickú pevnosť a rozmerovú stálosť, zatiaľ čo epoxid viaže vlákna a dodáva tuhosť. Spoločne vytvárajú izolačný a zároveň odolný základ. Kombinácia medenej fólie, sklenených vlákien a epoxidu robí FR-4 silným, ohňovzdorným a ideálnym na podporu a ochranu stôp PCB.
Elektrické vlastnosti FR-4
| Parameter | Rad FR-4 |
|---|---|
| Dielektrická konštanta (Dk) | 3,8 – 4,8 |
| Rozptylový faktor (Df) | \~0,018 – 0,022 |
| Dielektrická pevnosť | >50 kV/mm |
| Stabilita | Líši sa podľa frekvencie a väzby skla |
Tepelné vlastnosti FR-4
| Nehnuteľnosť | Štandard FR-4 | Vysokokvalitný FR-4 |
|---|---|---|
| Teplota skleného prechodu (Tg) | 130 – 150 °C | ≥180 °C |
| Teplota rozkladu (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Čas do delaminácie (T260 / T288) | Nižší odpor | Vyššia odolnosť |
Hrúbka FR-4 a možnosti stohovania
| Hrúbka / Typ | výhody | Obmedzenia | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tenký (<0,5 mm) | Ľahký, kompaktný a flexibilný | Krehký, ťažšie sa s ním manipuluje pri montáži | Štandardný (1,6 mm) | Štandardný v odvetví, široko dostupný, nákladovo efektívny | Môže obmedziť ultrakompaktné konštrukcie alebo konštrukcie s vysokou hustotou | Hrubý (>2 mm) | Poskytuje tuhosť a lepšiu odolnosť voči vibráciám | Zvyšuje celkovú hmotnosť a náklady |
| Vlastné viacvrstvové stohy | Umožňuje riadenie impedancie, podporuje vysokorýchlostné signály a zlepšuje tienenie EMI | Vyžaduje precízne výrobné procesy, drahšie |
Použitie FR-4 na návrh PCB
• Spotrebná elektronika - Poskytuje stabilný základný materiál, ktorý zvládne každodenné používanie a základné energetické potreby.
• Priemyselné riadenie a automatizácia - FR-4 ponúka stabilný výkon v systémoch, ktoré vyžadujú odolnosť a konzistentnú funkciu v priebehu času.
• Napájacie zdroje a meniče - Pre obvody, ktoré pracujú pod veľmi vysokými frekvenciami, FR-4 poskytuje izoláciu a výkon, ktorý spĺňa požiadavky.
• Návrhy citlivé na náklady – Keď záleží na rozpočte, FR-4 vám umožňuje udržať výrobné náklady na nízkej úrovni bez toho, aby ste sa vzdali spoľahlivosti.
Limity FR-4 a lepšie alternatívy
Keď FR-4 nie je vhodný
• Vysokofrekvenčné obvody - Nad približne 6–10 GHz spôsobuje FR-4 vyššiu stratu signálu, čo ho robí nevhodným pre pokročilé RF alebo mikrovlnné návrhy.
• Ultra vysoké dátové rýchlosti - Pre rýchlosti ako PCIe Gen 5 a vyššie (25+ Gbps) pridáva FR-4 príliš veľké oneskorenie a stratu vloženia, čím znižuje integritu signálu.
• Podmienky vysokej teploty - Štandardný FR-4 sa začne rýchlejšie rozkladať, keď je vystavený teplotám vyšším ako približne 150 °C, čo ho robí nespoľahlivým pre dlhodobé používanie v takýchto prostrediach.
Alternatívy k FR-4
| Materiál | Prípad použitia |
|---|---|
| Lamináty Rogers | RF a mikrovlnné konštrukcie vyžadujúce nízku stratu signálu |
| PTFE kompozity | Ultra nízke dielektrické straty pre presné vysokofrekvenčné obvody |
| Polyimid | Odolnosť voči vysokým teplotám v náročnom prostredí |
| Keramika | Extrémny výkon a odolnosť pri namáhaní |
Triedy a použitie FR-4
Štandard FR-4
Štandardný FR-4 má teplotu skleného prechodu (Tg) približne 130–150 °C. Je to najbežnejšia trieda, ktorá sa používa v elektronike, kancelárskom vybavení a štandardných priemyselných riadiacich systémoch.
Vysoký Tg FR-4
High-Tg FR-4 ponúka Tg 170–180 °C alebo viac. Táto trieda je potrebná pre bezolovnaté spájkovacie procesy a používa sa v automobilovej elektronike, leteckých doskách a iných prevedeniach, ktoré vyžadujú vyššiu tepelnú stabilitu.
Vysoký CTI FR-4
High-CTI FR-4 poskytuje porovnávací index sledovania (CTI) 600 alebo vyšší. Vyberá sa pre napájacie zdroje, meniče a vysokonapäťové obvody, kde sa vyžadujú bezpečné dorastové a vzdialené vzdialenosti.
Bezhalogénový FR-4
Bezhalogénový FR-4 má vlastnosti podobné štandardným typom alebo typom s vysokým Tg, ale vyhýba sa spomaľovačom horenia na báze halogénov. Používa sa v ekologických dizajnoch, ktoré musia byť v súlade s environmentálnymi normami RoHS a REACH.
Problémy s integritou signálu vo FR-4
Problém
FR-4 používa tkanú sklenenú tkaninu pre pevnosť, ale táto väzba nie je dokonale jednotná. Pri smerovaní diferenciálnych párov môže jedna stopa prechádzať hlavne cez sklenené zväzky, ktoré majú vyššiu dielektrickú konštantu, zatiaľ čo druhá stopa prechádza cez živicu, ktorá má nižšiu dielektrickú konštantu. Táto nerovnomerná expozícia spôsobuje, že signály sa šíria mierne odlišnou rýchlosťou, čo vytvára to, čo sa nazýva zošikmenie väzby vlákien.
Vplyv
Rozdiel v rýchlosti medzi týmito dvoma signálmi vedie k časovým nesúladom. Pri vysokých rýchlostiach prenosu dát sa tento nesúlad javí ako diferenciálne zošikmenie, pridané chvenie a dokonca aj uzavretie očného diagramu. Tieto efekty môžu znížiť integritu signálu a obmedziť výkon vysokorýchlostných komunikačných kanálov.
Riešenia
Smerovanie diferenciálnych párov v uhle 10–15° k väzbe pomáha predchádzať zarovnaniu stôp priamo so zväzkami skla. Výber rozprestretých sklenených látok, ako je napríklad štýl 3313, robí dielektrické vlastnosti jednotnejšími vo všetkých oblastiach. Ohromujúce diferenciálne páry zaisťujú, že obe stopy sa stretávajú s podobnou zmesou materiálov. Zošikmenie rozpočtu v simuláciách načasovania vám umožňuje predpovedať a zohľadniť tieto účinky pred výrobou.
Riziká vlhkosti a spoľahlivosti vo FR-4
Účinky vlhkosti
• Zníženie Tg počas pretavenia - Absorbovaná vlhkosť znižuje teplotu skleného prechodu, čo spôsobuje, že materiál je počas spájkovania menej stabilný a môže viesť k delaminácii.
• Dielektrická degradácia - Pri vysokých frekvenciách vlhkosť zvyšuje dielektrické straty, čo znižuje kvalitu signálu v prevedeniach s rýchlosťou GHz.
• Vodivá anodická filamentácia (CAF) - Jedno z najvážnejších rizík, CAF, sa vyskytuje, keď ióny medi migrujú cez epoxid pod elektrickým predpätím a vytvárajú skryté vodivé cesty, ktoré môžu spôsobiť skrat medzi stopami alebo priechodmi.
Zníženie problémov s vlhkosťou
• Dosky skladujte suché a uzavreté, aby ste zabránili vlhkosti.
• Dosky pred použitím pečte, ak boli vystavené vlhkosti.
• Vyberte si FR-4 odolný voči CAF pre konštrukcie s vysokou hustotou alebo vysokým napätím.
• Dodržiavajte pravidlá medzier z IPC, aby ste znížili riziko šortiek.
Faktory, ktoré je potrebné skontrolovať pred nákupom FR-4
• Zadajte triedu laminátu a lomku IPC-4101, aby ste predišli zámene.
• Zahrňte frekvenčne špecifické hodnoty dielektrickej konštanty (Dk) a rozptylového faktora (Df) pre zamýšľané prevádzkové pásmo.
• Potvrďte tepelné požiadavky pomocou Tg ≥ 170 °C a Td > 300 °C pre bezolovnaté spájkovanie a dlhodobú tepelnú stabilitu.
• Zdôraznite drsnosť medenej fólie pre vysokorýchlostné vrstvy, aby ste minimalizovali straty vložením.
• Pri navrhovaní vysokonapäťových ciest si všimnite hodnotenie porovnávacieho sledovacieho indexu (CTI).
• Vyberte laminát odolný voči CAF pre husté polia alebo vysokonapäťové aplikácie.
• Pridajte pokyny na manipuláciu alebo skladovanie, aby ste kontrolovali vlhkosť a zabránili delaminácii.
• Vyžiadajte si roztiahnutú sklenenú tkaninu pre rozdielové páry, aby sa znížilo zošikmenie väzby vlákien.
Záver
FR-4 ponúka pevnosť, izolácia, a nákladová efektívnosť, a preto zostáva štandardným materiálom PCB. Napriek tomu má limity vo vysokofrekvenčných, vysokorýchlostných alebo vysokoteplotných podmienkach. Poznaním jeho elektrických, tepelných a spoľahlivých faktorov a výberom správnej triedy môžete zabezpečiť stabilný výkon alebo prejsť na lepšie alternatívy, keď to návrhy vyžadujú.
Často kladené otázky [FAQ]
Čo je IPC-4101 vo FR-4?
Je to norma, ktorá definuje vlastnosti laminátu FR-4, ako sú Tg, Dk a absorpcia vlhkosti.
Ako sa FR-4 líši od PCB s kovovým jadrom?
FR-4 je pre všeobecné PCB, zatiaľ čo PCB s kovovým jadrom používajú hliník alebo meď pre lepší odvod tepla.
Môže byť FR-4 použitý vo flexibilných PCB?
Nie, FR-4 je tuhý. Môže to byť iba časť tuhých ohybných konštrukcií s polyimidovými vrstvami.
Aká je absorpcia vlhkosti FR-4?
Okolo 0,10–0,20 %, čo môže znížiť stabilitu, ak nie je správne upečené alebo skladované.
Je FR-4 vhodný pre vysokonapäťové obvody?
Áno, v napájacích zdrojoch a meničoch sa používajú triedy s vysokým CTI (CTI ≥ 600).
Prečo je pri FR-4 dôležitá drsnosť medenej fólie?
Hrubé fólie zvyšujú stratu signálu; Hladké planžety zlepšujú výkon pri vysokých rýchlostiach.