Was ist eine FR4 Leiterplatte?Eine FR4 Leiterplatte ist eine Leiterplatte, bei der FR4 sowohl als Substratmaterial als auch als Prepreg verwendet wird. FR-4 ist ein häufig verwendetes Leiterplatten-Substratmaterial und steht für glasfaserverstärktes Epoxidharz mit der Flammschutzklasse 4.
„FR-4” bezeichnet eine Klassifizierung für flammhemmende Materialien. Es handelt sich um eine Materialspezifikation, bei der das Harz bei Verbrennung selbstlöschend sein muss. Es ist kein Materialname, sondern eine Materialklasse. Daher werden derzeit zahlreiche Arten von Materialien der Klasse FR-4 in allgemeinen Leiterplatten verwendet. Bei den meisten handelt es sich jedoch um Verbundwerkstoffe aus sogenanntem Tera-Function-Epoxidharz in Kombination mit Füllstoffen und Glasfasern.
Grundlegende Fertigungskapazitäten
Anzahl und Dicke der Schichten
Standardmäßige Anzahl der Schichten: Unterstützt die Fertigung von Leiterplatten mit 1 bis 20 Schichten, wobei HDI-Platinen bis zu 1 bis 3 Ebenen mechanischer Blinddurchkontaktierungen oder Laser-Blinddurchkontaktierungen aufnehmen können.
Dickenbereich: Platten dicke 0.6 bis 3.2 mm, wobei die spezifische Dicke von der Anzahl der Schichten abhängt (z. B. halten 1.6 mm dicke Platten einer Stoßbelastung von 5 kg stand).
Toleranzkontrolle: ±10 % Toleranz für Leiterplatten mit einer Dicke von ≥1.0 mm; ±0.1 mm Toleranz für Leiterplatten mit einer Dicke von <1.0 mm. Abmessungen und Toleranzen Maximale Abmessungen: 520 × 600 mm für ein-/doppelseitige, vierlagige Leiterplatten; 400 × 500 mm für Leiterplatten mit ≥6 Lagen. Mindestabmessungen: Nicht-OSP-Platinen ≥ 50 × 50 mm, OSP-Platinen ≥ 80 × 50 mm. Konturtoleranz: ± 0.15 mm (Industriestandard ± 0.2 mm). Bohrungsbearbeitung Mechanisches Bohren: Bohrungsdurchmesser 0.15–6.35 mm (Durchmesser > 6.35 mm durch Reiben erreichbar).
Laserbohren: Lochdurchmesser 0.075–0.15 mm (bei >0.15 mm wird mechanisches Bohren empfohlen, um Kosten zu sparen).
Lochpositionstoleranz: ±0.075 mm; PTH-Lochdurchmessertoleranz ±0.075 mm (Crimp-Löcher ±0.05 mm).
Klassifizierung von FR4 Leiterplatten
Basierend auf der Glasübergangstemperatur (Tg-Wert)
Die Glasübergangstemperatur (Tg) bezeichnet die thermische Schwelle, bei der ein festes Material sich zu verändern beginnt, gummiartige Eigenschaften annimmt oder zu erweichen beginnt. FR4-Materialien werden anhand ihres Tg-Werts in drei Klassen eingeteilt: niedrige Tg (ca. 135 °C), mittlere Tg (ca. 150 °C) und hohe Tg (ca. 170 °C). Im Allgemeinen korreliert ein höherer Tg-Wert mit einer höheren Materialzuverlässigkeit.
Basierend auf dem dielektrischen Verlust (DF)
Die Größe des dielektrischen Verlustfaktors (DF) beeinflusst direkt die Leistung von FR4 in Hochfrequenzumgebungen. Ein niedrigerer DF-Wert minimiert den Signalverlust bei der Hochfrequenzübertragung und weist auf eine überlegene Leistung hin. Die DF-Werte von FR4 Leiterplatten werden wie folgt kategorisiert:
Materialien mit Standardverlust: Df ≥ 0.02
Materialien mit mittlerem Verlust: 0.01 < Df < 0.02
Materialien mit geringem Verlust: 0.005 < Df < 0.01
Materialien mit extrem geringem Verlust: Df < 0.005
Halogenfreie FR4 Leiterplatten
Halogenfreie FR4 Leiterplatten enthalten keine Halogenverbindungen oder nur vernachlässigbare Mengen davon. Angesichts der Toxizität von Halogenen sind solche FR4 Leiterplatten materialien heute eine gängige Wahl.
Kupferfreies FR4
Kupferfreies FR4 bezieht sich auf Leiterplatten, die keine Kupferschichten oder -bahnen enthalten. Es wird in erster Linie zu Isolationszwecken verwendet und dient häufiger als Versteifung innerhalb von starr-flexiblen Leiterplatten.
Je nach Struktur oder Design
FR4 Leiterplatten können in verschiedenen strukturellen Konfigurationen oder Designstilen hergestellt werden, darunter vor allem einseitige, doppelseitige und mehrschichtige Leiterplatten.
Einseitige Leiterplatte: Dies ist die grundlegendste Designform für FR4 Leiterplatten, die aus einer einzigen Kupferschicht bestehen, die von einem FR4-Kern getragen wird.
Doppelseitige Leiterplatten: Mit zwei leitfähigen Kupferschichten, die zwischen einem FR4-Laminat eingebettet sind, können Komponenten auf beiden Seiten der Leiterplatte platziert werden, wodurch sie sich für Anwendungen eignet, die eine hohe Komponentendichte erfordern.
Mehrschichtige Leiterplatten: Diese weisen eine komplexere Struktur auf, die aus mehreren FR4-Lagen besteht, wobei die Anzahl der Lagen zwischen 2 und 16 oder mehr variieren kann. Um verschiedene Lagen miteinander zu verbinden, werden kleine Löcher, sogenannte Durchkontaktierungen, durch die Leiterplatte gebohrt.
Eigenschaften von FR4:
Dielektrizitätskonstante (Dk): 3.8 – 4.7
Verlustfaktor (Df): 0.02 – 0.03
Volumenwiderstand: >10¹³ Ω·cm
Durchschlagfestigkeit: 20 – 50 V/mm
Zugfestigkeit: 350 – 500 MPa
Biegefestigkeit: 400–600 MPa
Glasübergangstemperatur (Tg): 130–180 °C
Wärmeleitfähigkeit: 0.3–0.4 W/m·K
RoHS- und REACH-Konformität: In den meisten Fällen konform
HDI-Kompatibilität: Wird nur von wenigen Varianten unterstützt
FR4 Leiterplatten material weist eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante (Dk) und einen relativ hohen dielektrischen Verlust (Df) auf, wodurch es sich für Anwendungen mit Signalen bis zu 1 GHz eignet. Unter den derzeit in Leiterplatten verwendeten Materialien weist es jedoch eine relativ niedrige Glasübergangstemperatur (Tg) auf. In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften zeigt es die hervorragenden Eigenschaften, die von starren Leiterplatten erwartet werden. Darüber hinaus entspricht es in der Regel den ROHS- und REACH-Normen, eine Eigenschaft, die den meisten modernen Materialien gemeinsam ist. Es ist jedoch zu beachten, dass seine Eignung für HDI auf einige wenige Hochleistungsvarianten von FR4 beschränkt ist.
Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung von FR4-Material Umgebungskontrolle:
FR4-Material sollte in einer trockenen, kühlen und gut belüfteten Umgebung gelagert werden, wobei direkte Sonneneinstrahlung und hohe Temperaturen sowie feuchte Bedingungen zu vermeiden sind. Geeignete Umgebungsbedingungen sind im Allgemeinen eine Luftfeuchtigkeit von nicht mehr als 70 % und Temperaturen um 25 °C.
Temperaturmanagement: Beachten Sie während der Verwendung den Betriebstemperaturbereich des FR4-Materials und vermeiden Sie eine Überschreitung der Langzeitbetriebstemperatur, um eine Materialverschlechterung oder -verformung zu verhindern.
Mechanische Beanspruchung: Vermeiden Sie bei der Konstruktion und Verarbeitung von Produkten aus FR4 eine übermäßige mechanische Beanspruchung. Verhindern Sie während der Installation und Verwendung mechanische Beschädigungen wie Stöße oder Verbiegen.
Überlegungen zur elektrischen Leistung: Bei Anwendungen mit hochfrequenter und schneller Signalübertragung sind die dielektrischen Einschränkungen des FR4-Materials vollständig zu berücksichtigen. Bei Hochspannungs- und Hochstromanwendungen sind Änderungen der Isolationseigenschaften zu überwachen, um Durchschlags- oder Lichtbogenphänomene zu vermeiden.
Flammhemmung und Umweltaspekte: Obwohl FR4 flammhemmende Eigenschaften besitzt, müssen in bestimmten Anwendungsszenarien – beispielsweise in Umgebungen mit strengen Umweltanforderungen – die Auswirkungen von Verbrennungsnebenprodukten auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit umfassend bewertet werden. Es sollten geeignete Schutzmaßnahmen getroffen oder umweltfreundlichere Materialien ausgewählt werden.
Anforderungen an die Maßgenauigkeit: Bei Anwendungen, die eine hohe Maßgenauigkeit erfordern, muss auf die Auswirkungen der Hygroskopizität und Temperaturempfindlichkeit des FR4 Leiterplatten materials auf die Dimensionsstabilität geachtet werden. Bei Bedarf können leistungsfähigere Materialien ausgewählt oder spezielle Verarbeitungstechniken eingesetzt werden.