Che cos’è un circuito stampato FR4?Un circuito stampato FR4 è un circuito stampato che utilizza FR4 sia come materiale di substrato che come preimpregnato. FR-4 è un materiale di substrato comunemente impiegato nei PCB, abbreviazione di un materiale in resina epossidica rinforzata con fibra di vetro con un grado di “ritardante di fiamma” pari a 4.
“FR-4” indica una classificazione di materiale ignifugo. Significa una specifica del materiale in cui la resina deve autoestinguersi quando sottoposta a combustione. Non è un nome di materiale, ma una designazione di grado. Di conseguenza, numerosi materiali di grado FR-4 sono attualmente utilizzati nei circuiti stampati generici, anche se la maggior parte sono materiali compositi costituiti dalla cosiddetta resina epossidica Tera-Function, riempitivi e fibra di vetro.
Capacità di produzione di base
Numero di strati e spessore
Numero di strati standard: supporta la produzione di PCB da 1 a 20 strati. Le schede HDI possono raggiungere 1-3 livelli di vie cieche meccaniche o vie cieche laser.
Intervallo di spessore: spessore della scheda 0.6-3.2 mm, con spessore specifico dipendente dal numero di strati (ad esempio, le schede di 1.6 mm di spessore possono resistere a un impatto di 5 kg).
Controllo della tolleranza: tolleranza ±10% per spessori delle schede ≥1.0 mm; tolleranza ±0.1 mm per spessori delle schede <1.0 mm. Dimensioni e tolleranze Dimensioni massime: 520×600 mm per schede a singolo/doppio lato e a quattro strati; 400×500 mm per schede ≥6 strati. Dimensioni minime: schede non OSP ≥50×50 mm, schede OSP ≥80×50 mm. Tolleranza del contorno: ±0.15 mm (standard industriale ±0.2 mm). Capacità di lavorazione dei fori Foratura meccanica: diametri dei fori 0.15-6.35 mm (diametri >6.35 mm ottenibili tramite alesatura).
Foratura laser: diametro foro 0.075-0.15 mm (per diametri >0.15 mm si consiglia la foratura meccanica per ridurre i costi).
Tolleranza posizione foro: ±0.075 mm; tolleranza diametro foro PTH ±0.075 mm (fori di crimpatura ±0.05 mm).
Classificazione dei circuito stampato FR4
In base alla temperatura di transizione vetrosa (valore Tg)
La temperatura di transizione vetrosa (Tg) indica la soglia termica alla quale un materiale solido inizia a trasformarsi, acquisendo proprietà simili alla gomma o iniziando ad ammorbidirsi. I materiali FR4 sono classificati in base al valore Tg in tre classi: Tg basso (circa 135 °C), Tg medio (circa 150 °C) e Tg alto (circa 170 °C). In generale, un valore Tg più elevato corrisponde a una maggiore affidabilità del materiale.
In base alla perdita dielettrica (DF)
L’entità del fattore di perdita dielettrica (DF) influenza direttamente le prestazioni dell’FR4 in ambienti ad alta frequenza. Un valore DF più basso riduce al minimo la perdita di segnale durante la trasmissione ad alta frequenza, indicando prestazioni superiori. I valori DF dei fogli FR4 sono classificati come segue:
Materiali a perdita standard: Df ≥ 0.02
Materiali a perdita media: 0.01 < Df < 0.02
Materiali a bassa perdita: 0.005 < Df < 0.01
Materiali a perdita ultra bassa: Df < 0,.005
Circuito stampato FR4 senza alogeni
I circuito stampato FR4 privi di alogeni non contengono composti alogenati o ne contengono solo quantità trascurabili. Data la tossicità degli alogeni, tali materiali PCB FR4 sono diventati oggi una scelta comune.
FR4 senza rame
Il termine FR4 senza rame si riferisce a circuiti stampati che non incorporano strati o tracce di rame. Viene utilizzato principalmente per scopi di isolamento, più comunemente come rinforzo all’interno di circuiti stampati rigido-flessibili.
Per struttura o design
I circuito stampato FR4 possono essere prodotti in varie configurazioni strutturali o stili di design, principalmente circuiti stampati a singolo lato, doppio lato e multistrato.
Circuito stampato a singolo lato: rappresenta la forma di design più fondamentale per i fogli di circuito stampato FR4, costituito da un singolo strato di rame supportato da un’anima FR4.
Circuito stampato a doppia faccia: caratterizzato da due strati conduttivi di rame inseriti tra un laminato FR4, i componenti possono essere posizionati su entrambi i lati della scheda, rendendola adatta per applicazioni che richiedono un’elevata densità dei componenti.
Circuito stampato multistrato: una struttura più complessa composta da più fogli FR4, con un numero di strati che varia da 2 a 16 o più. Per collegare i diversi strati, vengono praticati piccoli fori noti come vie attraverso la scheda.
Proprietà FR4:
Costante dielettrica (Dk): 3.8 – 4.7
Fattore di dissipazione (Df): 0.02 – 0.03
Resistività volumetrica: superiore a 10¹³ Ω·cm
Rigidità dielettrica: 20 – 50 volt/mm
Resistenza alla trazione: 350 – 500 MPa
Resistenza alla flessione: 400 – 600 MPa
Temperatura di transizione vetrosa (Tg): 130 – 180 °C
Conducibilità termica: 0.3 – 0.4 W/m·K
Conformità RoHS e REACH: conforme nella maggior parte dei casi
Compatibilità HDI: supportata solo da alcune varianti
Il materiale circuito stampato FR4 possiede una costante dielettrica (Dk) e una perdita dielettrica (Df) relativamente elevate, che lo rendono adatto ad applicazioni che trasportano segnali fino a 1 GHz. Tuttavia, tra i materiali utilizzati nei PCB moderni, la sua temperatura di transizione vetrosa (Tg) è relativamente bassa. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, presenta le eccellenti caratteristiche che ci si aspetta dai PCB rigidi. Inoltre, è generalmente conforme agli standard ROHS e REACH, una caratteristica comune alla maggior parte dei materiali contemporanei. Va notato, tuttavia, che il suo supporto per HDI è limitato ad alcune varianti FR4 ad alte prestazioni.
Precauzioni per l’uso del materiale FR4 Controllo ambientale:
Il materiale FR4 deve essere conservato in un ambiente asciutto, fresco e ben ventilato, evitando la luce solare diretta e condizioni di alta temperatura e umidità. Le condizioni ambientali adeguate prevedono generalmente un’umidità dell’aria non superiore al 70% e temperature intorno ai 25 °C.
Gestione della temperatura: durante l’uso, rispettare l’intervallo di temperatura di esercizio del materiale FR4 ed evitare di superare la sua temperatura di esercizio a lungo termine per prevenire il degrado o la deformazione del materiale.
Sollecitazioni meccaniche: durante la progettazione e la lavorazione di prodotti realizzati in FR4, evitare di sottoporli a sollecitazioni meccaniche eccessive. Durante l’installazione e l’uso, prevenire danni meccanici quali urti o piegature.
Considerazioni sulle prestazioni elettriche: per applicazioni di trasmissione di segnali ad alta frequenza e alta velocità, tenere pienamente conto dei limiti dielettrici del materiale FR4. In applicazioni ad alta tensione e alta corrente, monitorare i cambiamenti nelle sue proprietà di isolamento per prevenire fenomeni di rottura o arco elettrico.
Considerazioni relative alla resistenza alla fiamma e all’ambiente: sebbene l’FR4 possieda una resistenza intrinseca alla fiamma, in applicazioni specifiche, in particolare quelle con requisiti ambientali rigorosi, è necessario valutare in modo completo l’impatto dei sottoprodotti della combustione sull’ambiente e sulla salute umana. È necessario attuare misure di protezione adeguate o selezionare materiali più rispettosi dell’ambiente.
Requisiti di precisione dimensionale: nelle applicazioni che richiedono un’elevata precisione dimensionale, è necessario prestare attenzione agli effetti dell’igroscopicità e della sensibilità alla temperatura del materiale circuito stampato FR4 sulla stabilità dimensionale. Se necessario, è possibile selezionare materiali più performanti o impiegare tecniche di lavorazione specializzate.
