FR4:Wanneer kunt u het gebruiken en wanneer niet?

Spring naar:

Wat is FR4-substraatmateriaal?

Hoe wordt FR-4 gebruikt in PCB's?

Hoe FR4-dikte te selecteren

Wanneer FR4 gebruiken

Temperatuurbeheer

De keuze maken:FR4 versus hoogfrequent laminaat

De meeste elektrotechnici en personen die betrokken zijn bij printplaten zijn bekend met het materiaal FR4. FR4 is het ruggengraatmateriaal waarop de meeste stijve printplaten zijn gebouwd. Velen weten echter niet wat FR4 is, laat staan ​​waarom het de meest populaire PCB-basis is.

Lees verder voor meer informatie over FR4-printplaten, zoals wat ze zijn, waarom ze zo populair zijn en hoe de specificaties van FR4 PCB's zich verhouden tot andere opties binnen de branche.

Wat is FR4-substraatmateriaal?

FR4, ook geschreven als FR-4, is zowel een naam als een standaardclassificatie. De naam wordt toegepast op de met glasvezel versterkte, met epoxy gelamineerde platen die worden gebruikt bij de productie van printplaten. De naam fungeert echter ook als een cijfer dat wordt gebruikt om epoxylaminaatplaten te beoordelen. De aanduiding geeft in wezen de basiskwaliteit van een laminaatvel aan, wat betekent dat een verscheidenheid aan plaatmaterialen en ontwerpen onder de FR4-classificatie vallen. De "FR" in de naam staat voor vlamvertragend, terwijl de 4 het materiaal onderscheidt van anderen van dezelfde klasse.

Het materiaal dat algemeen FR4 wordt genoemd, is een composietstructuur. De meest basale laag van het materiaal is glasvezel geweven tot een dun, doekachtig vel. De glasvezel geeft FR4 zijn noodzakelijke structurele stabiliteit. Deze binnenste glasvezellaag wordt vervolgens omgeven en gebonden door een vlamvertragende epoxyhars. Deze hars geeft het materiaal stijfheid, naast zijn andere fysieke eigenschappen.

FR4-platen zijn zeer populair onder elektrotechnici en ontwerpers als basismateriaal voor PCB's. De lage kosten en veelzijdigheid van het materiaal, evenals de rijkdom aan gunstige fysieke eigenschappen, verklaren die populariteit. FR4-platen zijn elektrische isolatoren met een hoge diëlektrische sterkte. Ze hebben ook een hoge sterkte-gewichtsverhouding en zijn lichtgewicht en bestand tegen vocht. Voeg dit toe aan hun relatieve temperatuurbestendigheid en FR4-materiaal kan goed presteren in de meeste omgevingen.

Vraag een gratis offerte aan

Hoe wordt FR-4 gebruikt in PCB's?

Deze eigenschappen maken FR4 tot een ideaal standaardsubstraatmateriaal voor hoogwaardige PCB-productieprocessen. Bij correct gebruik kunnen deze eigenschappen ook de basis vormen van hoogwaardige en goedkope PCB's.

Binnen een PCB vormt FR4 de primaire isolerende ruggengraat. Dit is de basis waarop het productiebedrijf het circuit bouwt. Eenmaal voorbereid, wordt het FR4-bord gelamineerd met een of meer lagen koperfolie met behulp van warmte en lijm. Dit koper vormt de circuits in het eindproduct en kan een of beide zijden bedekken, afhankelijk van het ontwerp van het bord.

Complexe PCB's kunnen meer dan één zijde gebruiken of zelfs een laag op de printplaat om meer geavanceerde circuits te produceren. Vanaf hier worden de circuits getekend en geëtst voordat ze worden bedekt met een soldeermaskerlaag, waarmee het bord wordt voorbereid op de laatste zeefdruklaag en het daaropvolgende soldeerproces.

Hoe FR4-dikte te selecteren

Bij het bestellen van een laminaatbord voor een PCB-project moet de ontwerper of elektrotechnisch ingenieur de FR4-dikte specificeren. Dit wordt gemeten in op inches gebaseerde eenheden, zoals de duizendste van een inch, of thou, of millimeters, afhankelijk van wat het meest geschikt is voor de instelling. De dikte van een FR4-vel varieert sterk, afhankelijk van de behoeften van het project, maar varieert meestal van tienduizend tot drie inch.

Hoewel de plaatdikte misschien geen belangrijke factor lijkt in het ontwerp van een PCB, is het in werkelijkheid een essentieel kenmerk. De dikte van de plaat is van invloed op verschillende aspecten van de functionaliteit van de plaat. Daarom worden verschillende factoren in overweging genomen bij het bepalen van de dikte van een plaat voor het ontwerp. Deze omvatten het volgende.

1. Ruimte:dunner kan beter zijn

Als ruimte de ontwerper betreft, heeft een dunner FR4-bord de voorkeur. Dit is een overheersende factor voor de fabricage van kleinere apparaten, zoals USB-connectoren en veel Bluetooth-accessoires. Zelfs voor grotere projecten hebben kleinere FR4-printplaten de voorkeur om ruimte in het apparaat te besparen.

2. Verbindingen:de verkeerde kan leiden tot schade

Een dubbelzijdig PCB-ontwerp vereist een randconnector om de twee zijden met elkaar te verbinden. Dit kan een belangrijke beperkende factor zijn voor de uiteindelijke grootte van de PCB, aangezien PCB-randconnectoren alleen passen op een bepaalde set PCB-diktes. Het bijpassende gedeelte van een connector moet goed aansluiten op de zijkant van de printplaat, anders bestaat het risico dat de printplaat wegglijdt of beschadigd raakt. Dit is een van de belangrijkste redenen waarom het ontwerp van een circuit belangrijker is dan het kiezen van materialen voor het circuit.

3. Impedantie-aanpassing:essentieel voor het behoud van de kaartfunctie

Elk meerlagig bord werkt als een condensator op aangrenzende lagen. Daarom is de dikte van dit bord zo belangrijk - de dikte van het PCB FR4-materiaal bepaalt de dikte van het diëlektricum, wat op zijn beurt de waarde van de capaciteit beïnvloedt.

Dit is een bijzonder belangrijke factor voor sommige hoogfrequente PCB's, zoals RF- en microgolfontwerpen. Hoogfrequente ontwerpen richten zich op impedantie-aanpassing als een essentieel onderdeel om een ​​optimale kaartfunctie te behouden, dus het is cruciaal om de juiste capaciteit voor elke laag te krijgen.

4. Flexibiliteit:afhankelijk van de toepassing

Dunnere planken kunnen in zekere mate buigen. Hoewel het een ongebruikelijke eigenschap is, kan flexibiliteit een positieve of negatieve eigenschap zijn, afhankelijk van de toepassing.

Meer flexibele platen hebben de voorkeur in sommige toepassingen waar het product regelmatig wordt belast of gebogen. Degenen die bijvoorbeeld printplaten voor medische en automobieltoepassingen gebruiken, geven vaak de voorkeur aan flexibele printplaten vanwege de constante spanning en buiging waaraan deze printplaten vaak worden blootgesteld.

Flexibiliteit kan echter een nadeel zijn voor het fabricageproces van PCB's, wat later in de montage tot ernstige problemen kan leiden. Wanneer het door een machine wordt gehanteerd, kan een flexibeler bord buigen wanneer het door een soldeermachine wordt behandeld, waardoor het onderdeel onder een hoek wordt gesoldeerd. Bovendien heeft deze buiging het potentieel om vers geplaatste componenten en verbindingen die al op het bord zitten te breken.

5. Ontwerpvereisten:Beoogd gebruik Effecten FR4-dikte

Dunne borden hebben niet in alle gevallen de voorkeur, voornamelijk vanwege de beperkingen die dunne borden op PCB-plannen stellen. Dunne FR4-platen kunnen geen groeven bevatten, en ze mogen niet te groot zijn zonder het risico te lopen dat ze breken. Dikkere platen kunnen echter beide bereiken. Houd hier altijd rekening mee bij het wegen van opties tussen FR4-diktes.

6. Compatibiliteit van componenten:werkt mogelijk met een klein bereik

De dikte van een bord kan ook van invloed zijn op de compatibiliteit van componenten met het bord. Net als randverbinders werken veel componenten met een klein aantal plaatdiktes. Dit geldt met name voor sommige doorlopende componenten, bijvoorbeeld.

7. Gewicht:lichtere producten kunnen aantrekkelijker zijn

De FR4-dikte zal logischerwijs het gewicht van de uiteindelijke PCB beïnvloeden. Hoewel gewicht in sommige toepassingen minder een probleem is, is het vaak een overweging in consumentenelektronica. Lichtere PCB's zorgen voor lichtere producten, waardoor ze goedkoper te verzenden zijn en in sommige gevallen aantrekkelijker voor consumenten.

Wanneer FR4 gebruiken

Veel elektronicatoepassingen kiezen ervoor om het FR4-bord op epoxybasis te gebruiken. Hun sterkte, betrouwbaarheid en relatief lage kosten maken FR4-epoxysubstraten een logische standaardkeuze voor elektronica-ingenieurs. FR4 is echter niet ideaal voor alle situaties, vooral niet voor hoogfrequente ontwerpen. Voor deze ontwerpen zijn hoogfrequente laminaten de meest voorkomende keuze.

Kiezen tussen deze materialen kan moeilijk zijn, daarom geven we hieronder meer gedetailleerde richtlijnen.

Wanneer u probeert te beslissen of u een PCB met FR-4 of een hoogfrequent laminaat wilt bouwen, moet u rekening houden met de volgende belangrijke kenmerken van elk.

Kosten:FR4 wordt goedkoper

FR4-materiaal is een veel voorkomende PCB-basis, voornamelijk vanwege de relatief lage kosten. Hoogfrequente laminaten daarentegen zijn aanzienlijk duurder in prijs, wat een belangrijk nadeel is voor kostenbewuste ontwerpers en fabrikanten. Dit is de belangrijkste beperkende factor voor bedrijven bij het kiezen tussen FR4 en hoogfrequent laminaat.

Ontvang prijzen en levertijd

Signaalverlies:lagere Df leidt tot lager signaalverlies

Signaalverlies is in veel gevallen een cruciaal onderdeel van een PCB-ontwerp, vooral in hoogfrequente situaties waar signaalverlies een groter probleem is. Voor deze ontwerpen is FR4 geen ideale keuze - FR4 heeft een hogere Df of dissipatiefactor dan hoogfrequente laminaten. Dit betekent dat FR4-circuits meer signaalverlies zullen ondervinden dan een identiek circuit op een hoogfrequent laminaat.

De Df van FR4 ligt rond de 0,020, terwijl de Df van de meeste hoogfrequente laminaten rond de 0,004 ligt, een vierde van de Df van de FR4. Hoe lager de Df, hoe minder signaalverlies in het algemeen. Het andere probleem is dat de Df van FR4 toeneemt naarmate de frequentie van een signaal toeneemt, wat betekent dat naarmate de frequentie van het signaal toeneemt, er meer signaalverlies optreedt. Omdat hoogfrequente laminaten stabielere Df-kenmerken hebben, ervaren ze minder verlies bij hogere frequenties.

Impedantiestabiliteit:Dk-stabiliteit is belangrijk

Stabiele impedantie is een andere belangrijke factor voor veel ontwerpen, omdat dit vaak meer voorspelbare prestaties betekent, vooral voor grotere circuits of hoogfrequente ontwerpen. Ook op dit gebied bieden FR4- en hoogfrequentlaminaten verschillende resultaten. Het handhaven van een stabiele impedantie vereist dat een materiaal een stabiele Dk, of diëlektrische constante, over het gehele materiaal handhaaft als de temperatuur van het materiaal verandert.

In dit opzicht is FR4 geen geschikt materiaal voor het handhaven van een stabiele impedantie, aangezien de Dk-waarde ervan sterk varieert binnen een enkele plaat en naarmate de temperatuur van de plaat verandert. Hoogfrequente laminaten hebben geen Dk-waarden die zo sterk variëren, en blijven redelijk constant over het hele oppervlak van een bord als de temperatuur verandert.

Temperatuurbeheer:

Temperatuurprestaties zijn een andere factor waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen tussen een FR4-bord of hoogfrequent laminaat voor een PCB-basis. Bij het vergelijken van temperatuurprestaties biedt de thermische coëfficiënt van de diëlektrische constante een behoorlijke maatstaf. Dit getal meet hoeveel de diëlektrische constante van een materiaal verandert met de temperatuur:

• Voor FR4 ligt deze waarde rond de 200 delen per miljoen per graad Celsius verandering in temperatuur
• Hoogfrequente laminaten hebben een thermische coëfficiënt van diëlektrische constante van ongeveer 40 delen per miljoen per graad Celsius.

Hoewel beide misschien kleine aantallen lijken, bieden ze zeer verschillende resultaten. De significante coëfficiënt van FR4 betekent dat de Dk van een FR4-bord aanzienlijk kan variëren in zijn gebied. Ter vergelijking:de lagere coëfficiënt voor hoogfrequente laminaten duidt op minder variatie in temperatuur over het oppervlak van het bord. Dit is vooral belangrijk om te overwegen bij het ontwerpen van borden die bedoeld zijn voor warmere omgevingen.

Diëlektrische constante:kies de juiste Dk-waarde

Soms kan de diëlektrische constante van een printplaat net zo belangrijk zijn als elk ander kenmerk van een bord. De diëlektrische constante van een printplaat heeft invloed op de grootte van de transmissielijnen van een circuit, vooral in hoogfrequente circuits zoals RF- of microgolfontwerpen. Hoe kleiner de transmissielijnen kunnen zijn, hoe kleiner het circuit zelf.

Daarom, als een kleinere printplaatgrootte wenselijk is, is een plaatmateriaal met een hogere Dk-waarde de beste keuze. FR4 heeft een diëlektrische constante van ongeveer 4,5, wat lager is dan de Dk van hoogfrequente materialen, die gewoonlijk rond 6,15 tot 11 ligt. Het gebruik van deze hoogwaardige Dk-materialen kan aanzienlijke resultaten opleveren, waarbij 25 procent of meer van de grootte van de laatste printplaat.

Operationele omgeving:

De operationele omgeving voor het circuit is nog een ander ding om in gedachten te houden bij het kiezen tussen een FR4 en een hoogfrequent laminaatbord. Dit omvat de omgevingscondities, zoals vocht en temperatuur. In beide gevallen bieden hoogfrequente laminaten meer vocht- en hittebestendigheid dan FR4, wat betekent dat de operationele omgeving aanzienlijk minder invloed zal hebben op de functie van het circuit. Dit is een kritische overweging als de printplaat in buiten- of extreme industriële omgevingen zal werken.

Kortom, hoogfrequente laminaten hebben een breed scala aan fysieke kenmerken, waarvan er vele superieur zijn aan FR4. Het enige nadeel van hoogfrequente laminaten ten opzichte van FR4 zijn de relatief hogere kosten, wat een belangrijke factor is voor kostengerichte ontwerpers. De grote beslissing is dan wanneer de voordelen opwegen tegen de kosten van hoogfrequente laminaten.

De keuze maken:FR4 versus hoogfrequent laminaat

Dus, met behulp van alle hierboven genoemde informatie, hoe kan een elektrotechnisch ingenieur of PCB-ontwerper kiezen tussen FR4 en een hoogfrequent laminaat? Eerst moet de ontwerper de elektrische en mechanische vereisten voor de uiteindelijke PCB opsommen en vergelijken, waarbij hij de meest specifieke parameters gebruikt. De ontwerper moet vervolgens onderzoeken hoe goed FR4 aan deze parameters zal voldoen in vergelijking met een laminaat dat is ontworpen om hoogfrequente signalen te verwerken. Preciezere gegevens voor elk van de bovenstaande punten zijn direct beschikbaar met behulp van branchegegevensbladen.

Kortom, FR4 is een zeer relevant materiaal, vooral populair vanwege de lage kosten en relatieve mechanische en elektrische stabiliteit. Hoewel FR4-materiaal uitgebreide voordelen biedt en verkrijgbaar is in verschillende diktes en maten, is het niet de beste keuze voor elke toepassing, vooral niet voor hoogfrequente toepassingen zoals RF- en microgolfontwerpen. In deze laatste gevallen is een hoogfrequent laminaat de betere keuze. Toch is het gemakkelijk in te zien waarom FR4 tot op de dag van vandaag nog steeds zo vaak wordt gebruikt.

Neem contact op met Millennium Circuits Limited om erachter te komen wat bij u past

Als u op zoek bent naar FR4-printplaten of boards van een ander materiaal, kan Millennium Circuits Limited u helpen. MCL levert hoogwaardige boards en circuits in elke hoeveelheid met behoud van extreme kwaliteit en tijdige levering. Sinds 2005 is ons bedrijf in Harrisburg, PA, trots op het leveren van diensten van hoge kwaliteit die voldoen aan de hoogste internationale normen. We bieden zelfs technische ondersteuning en een concurrerend prijsschema.

Ontdek waarom MCL 98 procent goedkeuring beoordeelt voor kwaliteit en 99 procent goedkeuring voor leveringsprestaties. Neem vandaag nog contact met ons op voor een snelle, vrijblijvende offerte om te zien hoe MCL u kan helpen.

Vraag een gratis offerte aan