¿Qué es una circuito impreso en FR4?Una circuito impreso en FR4 es una placa de circuito impreso que utiliza FR4 como material de sustrato y preimpregnado. El FR-4 es un material de sustrato para PCB muy utilizado, y es la abreviatura de un material de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio con una clasificación de «retardante de llama» de 4.
«FR-4» denota una clasificación de material ignífugo, lo que significa una especificación de material en la que la resina debe autoextinguirse cuando se expone a la combustión. No es un nombre de material, sino una designación de grado. En consecuencia, actualmente se utilizan numerosos materiales de grado FR-4 en placas de circuito generales, aunque la mayoría son materiales compuestos que comprenden la denominada resina epoxi Tera-Function, rellenos y fibra de vidrio.
Capacidades básicas de fabricación
Número de capas y grosor
Número de capas estándar: admite la fabricación de circuito impreso de 1 a 20 capas. Las placas HDI pueden alcanzar de 1 a 3 niveles de vías ciegas mecánicas o vías ciegas láser.
Rango de grosor: grosor de la placa de 0.6 a 3.2 mm, con un grosor específico que depende del número de capas (por ejemplo, las placas de 1.6 mm de grosor pueden soportar un impacto de 5 kg).
Control de tolerancia: tolerancia de ±10 % para placas con un espesor ≥1.0 mm; tolerancia de ±0.1 mm para placas con un espesor <1.0 mm. Dimensiones y tolerancias Dimensiones máximas: 520 × 600 mm para placas de una o dos caras y cuatro capas; 400 × 500 mm para placas de ≥6 capas. Dimensiones mínimas: placas no OSP ≥50 × 50 mm, placas OSP ≥80 × 50 mm. Tolerancia del contorno: ±0.15 mm (estándar industrial ±0.2 mm). Capacidades de procesamiento de orificios Taladrado mecánico: diámetros de orificio de 0.15 a 6.35 mm (diámetros >6.35 mm realizables mediante escariado).
Taladrado láser: diámetro del orificio 0.075-0.15 mm (se recomienda el taladrado mecánico para >0.15 mm para reducir costes).
Tolerancia de la posición del orificio: ±0.075 mm; tolerancia del diámetro del orificio PTH ±0.075 mm (orificios de engarzado ±0.05 mm).
Clasificación de los circuito impreso en FR4
Según la temperatura de transición vítrea (valor Tg)
La temperatura de transición vítrea (Tg) indica el umbral térmico al que un material sólido comienza a transformarse, adquiriendo propiedades similares al caucho o empezando a ablandarse. Los materiales FR4 se clasifican según su valor Tg en tres clases: Tg baja (aproximadamente 135 °C), Tg media (aproximadamente 150 °C) y Tg alta (aproximadamente 170 °C). Por lo general, un valor Tg más alto se correlaciona con una mayor fiabilidad del material.
Según la pérdida dieléctrica (DF)
La magnitud del factor de pérdida dieléctrica (DF) influye directamente en el rendimiento del FR4 en entornos de alta frecuencia. Un valor DF más bajo minimiza la pérdida de señal durante la transmisión de alta frecuencia, lo que indica un rendimiento superior. Los valores DF de las láminas FR4 se clasifican de la siguiente manera:
Materiales de pérdida estándar: Df ≥ 0.02.
Materiales de pérdida media: 0.01 < Df < 0.02.
Materiales de baja pérdida: 0.005 < Df < 0.01.
Materiales de pérdida ultrabaja: Df < 0.005.
Circuito impreso en FR4 sin halógenos
Las circuito impreso en FR4 sin halógenos no contienen compuestos halógenos, o solo cantidades insignificantes. Dada la toxicidad de los halógenos, estos materiales FR4 para PCB se han convertido en una opción habitual en la actualidad.
FR4 sin cobre
El FR4 sin cobre se refiere a las placas de circuito que no incorporan capas ni trazas de cobre. Se utiliza principalmente con fines de aislamiento, más comúnmente como refuerzo dentro de placas de circuito rígido-flexibles.
Por estructura o diseño
Las placas circuito impreso en FR4 se pueden fabricar en diversas configuraciones estructurales o estilos de diseño, entre los que se incluyen principalmente placas de circuito de una sola cara, de doble cara y multicapa.
Placa de circuito impreso de una sola cara: representa la forma de diseño más básica para las láminas PCB FR4, y consiste en una sola capa de cobre soportada por un núcleo FR4.
Placa de circuito impreso de doble cara: con dos capas conductoras de cobre intercaladas entre un laminado FR4, los componentes se pueden colocar en ambos lados de la placa, lo que la hace adecuada para aplicaciones que requieren una alta densidad de componentes.
Placa de circuito impreso multicapa: una estructura más compleja que comprende múltiples láminas FR4, con un número de capas que oscila entre 2 y 16 o más. Para conectar las diferentes capas, se perforan pequeños orificios conocidos como vías a través de la placa.
Propiedades del FR4:
Constante dieléctrica (Dk): 3.8 – 4.7.
Factor de disipación (Df): 0.02 – 0.03.
Resistividad volumétrica: superior a 10¹³ Ω·cm.
Rigidez dieléctrica: 20 – 50 voltios/mm.
Resistencia a la tracción: 350 – 500 MPa.
Resistencia a la flexión: 400 – 600 MPa.
Temperatura de transición vítrea (Tg): 130 – 180 °C.
Conductividad térmica: 0.3 – 0.4 W/m·K.
Cumplimiento de RoHS y REACH: Generalmente compatible.
Compatibilidad con HDI: Solo compatible con variantes seleccionadas.
El material FR4 para circuito impreso posee una constante dieléctrica (Dk) y una pérdida dieléctrica (Df) relativamente altas, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que transportan señales de hasta 1 GHz. Sin embargo, entre los materiales utilizados en las PCB modernas, su temperatura de transición vítrea (Tg) es relativamente baja. En cuanto a las propiedades mecánicas, presenta las excelentes características que se esperan de las PCB rígidas. Además, por lo general cumple con las normas ROHS y REACH, una característica común a la mayoría de los materiales contemporáneos. Sin embargo, cabe señalar que su compatibilidad con HDI se limita a unas pocas variantes FR4 de alto rendimiento.
Precauciones para el uso del material FR4 Control ambiental:
El material FR4 debe almacenarse en un entorno seco, fresco y bien ventilado, evitando la luz solar directa y las condiciones de alta temperatura y humedad. Las condiciones ambientales adecuadas suelen implicar una humedad del aire que no supere el 70 % y temperaturas en torno a los 25 °C.
Gestión de la temperatura: Durante el uso, respete el rango de temperatura de funcionamiento del material FR4 y evite superar su temperatura de servicio a largo plazo para evitar la degradación o deformación del material.
Tensión mecánica: Al diseñar y procesar productos fabricados con FR4, evite someterlos a una tensión mecánica excesiva. Durante la instalación y el uso, evite daños mecánicos como impactos o flexiones.
Consideraciones sobre el rendimiento eléctrico: para aplicaciones de transmisión de señales de alta frecuencia y alta velocidad, tenga plenamente en cuenta las limitaciones dieléctricas del material FR4. En aplicaciones de alta tensión y alta corriente, supervise los cambios en sus propiedades de aislamiento para evitar fenómenos de ruptura o arco eléctrico.
Consideraciones medioambientales y de resistencia al fuego: aunque el FR4 posee una resistencia al fuego inherente, en aplicaciones específicas, especialmente aquellas con requisitos medioambientales estrictos, se debe evaluar de forma exhaustiva el impacto de los subproductos de la combustión en el medio ambiente y la salud humana. Se deben implementar medidas de protección adecuadas o seleccionar materiales más respetuosos con el medio ambiente.
Requisitos de precisión dimensional: En aplicaciones que exigen una alta precisión dimensional, se debe prestar atención a los efectos de la higroscopicidad y la sensibilidad a la temperatura del material circuito impreso en FR4 sobre la estabilidad dimensional. Cuando sea necesario, se pueden seleccionar materiales de mayor rendimiento o emplear técnicas de procesamiento especializadas.
