Что такое FR-4? FR-4 общепринятое сокращение для материалов на основе эпоксидной смолы, армированных стекловолокном, широко используемых в отрасли печатных плат (PCB). Строго говоря, FR-4 не является уникальным названием материала, а представляет собой классификационный показатель огнестойкости.
Данная спецификация разработана Национальной ассоциацией производителей электротехнического оборудования США (NEMA). Аббревиатура FR расшифровывается как Flame-Retardant (огнезамедляющий); FR-4 конкретно обозначает меднофольгированные ламинаты (CCL), где матрица выполнена из эпоксидной смолы, армирующим материалом служит тканое стекловолокно, а класс огнестойкости соответствует UL94 V-0.
В настоящее время для производства печатных плат доступен широкий спектр композитных материалов класса FR-4. Большинство распространенных рецептур создаются путем смешения тетрафункциональной эпоксидной смолы с наполнителями и стекловолокном электронного класса.
Различные подложки печатных плат имеют разные классы огнестойкости. В таблице ниже представлена классификация, состав сырья и огнезамедляющие свойства разных типов подложек:
| Категория подложки | Класс | Состав сырья | Огнезамедляющие свойства |
|---|---|---|---|
| Бумажная подложка | XPC | Фенольная смола + целлюлозная бумага | Неогнезамедляющий материал, UL94 HB |
| Бумажная подложка | XXPC | Модифицированная фенольная смола + целлюлозная бумага | Неогнезамедляющий материал, UL94 HB |
| Бумажная подложка | FR-1 | Огнезамедляющая фенольная смола + целлюлозная бумага | Огнезамедляющий материал, UL94 V-1 |
| Бумажная подложка | FR-2 | Огнезамедляющая фенольная смола + целлюлозная бумага | Огнезамедляющий материал, UL94 V-1 |
| Подложка на тканом стекловолокне | FR-4 | Эпоксидная смола + тканое стекловолокно | Огнезамедляющий материал, UL94 V-0 |
| Подложка на тканом стекловолокне | FR-5 | Эпоксидная смола + тканое стекловолокно | Огнезамедляющий материал, UL94 V-0 |
| Композитная подложка | CEM-1 | Эпоксидная смола + целлюлозная бумага + тканое стекловолокно | Огнезамедляющий материал, UL94 V-0 |
| Композитная подложка | CEM-3 | Эпоксидная смола + тканое стекловолокно + стеклянный войлок | Огнезамедляющий материал, UL94 V-0 |
Описание каждого типа подложек
1.Бумажные подложки
Бумажные подложки используют фенольную смолу как связующее вещество и целлюлозную бумагу из древесной массы как поверхностный армирующий материал. Марки XPC и XXPC не обладают огнезамедляющими свойствами, тогда как FR-1, FR-2 и FR-3 имеют огнезащиту. Благодаря низкой общей стоимости они применяются преимущественно в недорогой электронной продукции: игрушках, радиоприемниках, стационарных телефонах и калькуляторах.
2.Подложки на тканом стекловолокне
Их также называют эпоксидными плитами, стеклопластиковыми листами; к этой группе относится и FR-4. Данные подложки используют эпоксидную смолу как связующее и тканое стекловолокно электронного класса как основной армирующий материал; как FR-4, так и FR-5 относятся к огнезамедляющим классам. Меднофольгированные ламинаты на эпоксидном стеклопластике обладают высокой механической прочностью, отличной термостойкостью и превосходными диэлектрическими характеристиками. Являясь наиболее массово используемой подложкой с широкой областью применения, они активно эксплуатируются в мобильной связи, цифровом телевидении, бытовой электронике и других отраслях.
3.Композитные подложки
Наиболее распространенные марки – CEM-1 и CEM-3. Их механические характеристики и стоимость производства занимают промежуточное положение между подложками на тканом стекловолокне и фенольными бумажными подложками.
CEM-3 имеет электрические параметры, сопоставимые со стандартными материалами FR 4, и улучшенную обрабатываемость при сверлении. Некоторые изделия CEM-3 превосходят обычный FR 4 по показателю устойчивости к трекингу (CTI), точности размеров и стабильности геометрических параметров.
Показатели характеристик FR 4
Ключевые эксплуатационные параметры FR 4 включают температуру стеклования (Tg), температуру термического разложения (Td), коэффициент диэлектрических потерь (Df), диэлектрическую постоянную (Dk), показатель устойчивости к трекингу (CTI), коэффициент термического расширения (CTE), водопоглощение и прочность отслаивания медной фольги.
Сравнение параметров распространенных материалов FR 4 трех крупных производителей: Isola, Nelco и Ventec
| Параметр | Isola 370HR | Nelco N4000-13 | Ventec VT-47 |
|---|---|---|---|
| Tg (°C) | 180 | 210 | 170 |
| Td (°C) | 340 | 350 | 340 |
| Dk @10ГГц | 3,92 | 3,60 | 4,27 |
| Df @10ГГц | 0,025 | 0,009 | 0,046 |
| Класс CTI | 3 | 3 | 3 |
| Водопоглощение (%) | 0,15 | 0,10 | 0,12 |
Температура стеклования (Tg) и температура термического разложения (Td)
Tg – критическая температура, при которой материал переходит из жесткого стеклообразного состояния в деформируемое эластичное состояние. При температурах ниже Td термический переход обратим: после охлаждения ниже Tg материал восстанавливает жесткость. При превышении температуры Td материал FR-4 подвергается необратимому термическому разложению и необратимой потере эксплуатационных свойств.
В промышленности материалы FR-4 разделяют на три группы по значению Tg:
FR-4 с низкой Tg: Tg ≈ 135 °C
FR-4 со средней Tg: Tg ≈ 150 °C
FR-4 с высокой Tg: Tg ≈ 170 °C
Рекомендации по выбору: Материалы с высокой Tg обязательны для многослойного ламинирования печатных плат, плат с большим количеством слоев, режимов пайки при температуре ≥230 °C, длительной эксплуатации при температуре выше 100 °C, волновой пайки и других режимов работы с интенсивными термическими нагрузками.
Коэффициент диэлектрических потерь (Df) и диэлектрическая постоянная (Dk)
Эти два базовых диэлектрических параметра изменяются в зависимости от частоты сигнала. Высокое значение Df приводит к сильному затуханию передаваемого сигнала, а Dk в основном определяет стабильность импеданса токоведущих дорожек.
Классификация FR-4 по значению Df:
Материалы со стандартными потерями: Df ≥ 0,02
Материалы со средними потерями: 0,01 ≤ Df ＜ 0,02
Материалы с низкими потерями: 0,005 ≤ Df ＜ 0,01
Материалы с сверхнизкими потерями: Df ＜ 0,005
Показатель устойчивости к трекингу (CTI)
CTI характеризует способность изоляционного материала сопротивляться пробою из-за поверхностного электрического трекинга.Термически вызванная карбонизация поверхности изолятора формирует проводящие пути, что в итоге приводит к коротким замыканиям между электродами. Значение CTI прямо пропорционально изоляционным свойствам материала; более высокий CTI позволяет уменьшить длину пути утечки между проводниками.
Классы эксплуатационных характеристик (PLC), соответствующие диапазонам напряжений CTI:
| Диапазон напряжения CTI | Класс PLC |
|---|---|
| CTI ≥ 600 В | 0 |
| 400 В ≤ CTI ＜ 600 В | 1 |
| 250 В ≤ CTI ＜ 400 В | 2 |
| 175 В ≤ CTI ＜ 250 В | 3 |
| 100 В ≤ CTI ＜ 175 В | 4 |
| CTI ＜ 100 В | 5 |
Рекомендации по выбору: Для аэрокосмической техники, морского оборудования, высоковольтных устройств с большими токами и других изделий с строгими требованиями к изоляции предпочтительно использовать FR-4 с высоким классом CTI.
Ограничения материалов FR-4
FR-4 имеет ряд преимуществ: низкая стоимость, отличная обрабатываемость, стабильные электрические характеристики, высокая механическая прочность и удовлетворительная термостойкость. Однако он имеет существенные недостатки при использовании в высокоскоростных, высокочастотных и мощных электронных изделиях.
1.Значительные потери при передаче сигнала
При высоких скоростях передачи и большой длине токоведущих дорожек потери сигнала в FR-4 становятся выраженными. Стандартный FR-4 имеет коэффициент Df около 0,020, тогда как специализированные подложки для высоких скоростей достигают значения Df до 0.004 – это четверть величины потерь FR-4. Кроме того, диэлектрические потери FR-4 резко и линейно возрастают с ростом частоты, в то время как у высокочастотных подложек рост потерь плавный и имеет тенденцию к насыщению.Проектирование высокоскоростных печатных плат требует применения низкопотерных подложек, подобранных под рабочую частоту.
2.Недостаточная точность регулировки импеданса
Диэлектрическая постоянная Dk напрямую определяет импеданс токоведущих дорожек; прерывистость импеданса вызывает нарушения целостности сигнала: перерегулирование, отражения и паразитные колебания. Максимальное отклонение Dk у FR-4 составляет до 10 %, а у высокочастотных высокоскоростных подложек отклонение ограничено значением менее 2 %. Предел точности импеданса, достижимый на FR-4, не удовлетворяет требованиям высокоточной разработки импедансных цепей.
3.Низкая теплопроводность
Теплопроводность FR-4 составляет всего 0.3–0.4 Вт/(м·К), что ограничивает способность отвода тепла. Для мощных электронных изделий применяются решения: подложки с повышенной теплопроводностью, встроенные медные стержни и блоки, печатные платы с металлическим сердечником для повышения эффективности теплоотвода.
4.Недостаточная термическая стабильность при высоких температурах
При длительном воздействии высоких температур FR-4 склонен к короблению и деформации. Пиковая температура бессвинцовой рефлоу-пайки составляет 250 °C, что превышает значение Tg большинства марок FR-4. Термическое расширение и сжатие материала создают внутренние напряжения, которые легко приводят к образованию холодных паяных соединений и растрескиванию швов пайки. Для печатных узлов с компонентами размером более 3,2 × 1,6 мм рекомендуется использовать подложки с малым коэффициентом термического расширения (CTE).
