Klassificering, prestanda och tillämpningsforskning för FR-4 substrat

Vad är FR-4? FR-4 är den vanliga förkortningen för glasfiberförstärkta epoxihartsmaterial som används i stor omfattning inom kretskorts (PCB). Strängt taget är FR-4 inte ett exklusivt materialnamn utan en klassificering för flamskyddsegenskaper.Denna specifikationsstandard har fastställts av National Electrical Manufacturers Association (NEMA) i USA. Förkortningen FR står för Flame-Retardant (flamskyddad); FR-4 betecknar specifikt kopparbelagda laminat (CCL) med epoxiharts som matrismaterial, vävd glasfiberväv som förstärkningsmaterial och en flamskyddsklass enligt UL94 V-0.

Idag finns ett brett utbud av kompositmaterial i FR-4 klassen för tillverkning av kretskort. De flesta vanliga formuleringar tillverkas genom att blanda tetrafunktionellt epoxiharts med fyllmedel och elektronikklassad glasfiber.

Olika kretskortsunderlag tillhör olika flamskyddsklasser. Tabellen nedan visar klassificering, råmaterialsammansättning och flamskyddsegenskaper för olika underlagstyper:

Presentation av respektive underlagstyp

1.Pappersunderlag
Pappersunderlag använder fenolharts som bindemedel och cellulosapapper från trämassa som yttre förstärkningsmaterial. XPC och XXPC saknar flamskyddande egenskaper, medan FR-1, FR-2 och FR-3 är flamskyddade. Tack vare låg totalkostnad används de huvudsakligen i billigare elektronikprodukter såsom leksaker, radioapparater, fasttelefoner och miniräknare.

2.Underlag av vävd glasfiberväv
Dessa kallas även epoxiskivor, glasfiberskivor eller fiberplattor, och FR-4 tillhör denna kategori. Underlagen använder epoxiharts som bindemedel och elektronikklassad vävd glasfiberväv som grundläggande förstärkningsmaterial; både FR-4 och FR-5 är flamskyddade klasser. Kopparbelagda laminat av epoxi och glasfiber har hög mekanisk hållfasthet, utmärkt värmebeständighet och framträdande dielektriska egenskaper. Som det mest använda underlaget med brett användningsområde används de i stor utsträckning inom mobil kommunikation, digital tv, konsumentelektronik och andra områden.

3.Kompositunderlag
De vanligaste typerna är CEM-1 och CEM-3. Deras mekaniska egenskaper och tillverkningskostnader ligger mellan underlag av vävd glasfiberväv och fenolbaserade pappersunderlag.

CEM-3 har elektriska egenskaper jämförbara med standardmaterial av FR-4 samt bättre bearbetbarhet vid borrning. Vissa CEM-3-produkter överträffar vanligt FR 4 när det gäller jämförande spårbeständighetsindex (CTI), dimensionsnoggrannhet och dimensionsstabilitet.

Prestandaindikatorer för FR-4

De centrala prestandaparametrarna för FR-4 inkluderar glasövergångstemperatur (Tg), termisk nedbrytningstemperatur (Td), förlustfaktor (Df), dielektricitetskonstant (Dk), jämförande spårbeständighetsindex (CTI), termisk expansionskoefficient (CTE), vattenupptag och avskalningshållfasthet för kopparfolie.

Parameterjämförelse för vanliga FR-4-material från tre stora tillverkare: Isola, Nelco och Ventec

Glasövergångstemperatur (Tg) och termisk nedbrytningstemperatur (Td)
Tg betecknar den kritiska temperatur där ett material övergår från ett stivt glasartat till ett deformabelt gummiartat tillstånd. Den termiska övergången är reversibel under Td; materialet återfår sin styvhet efter kylning under Tg. När temperaturen överstiger Td genomgår FR-4 en irreversibel termisk nedbrytning och permanent funktionsfel.

Branschen delar in FR 4 material i tre nivåer baserat på Tg-värdet:
Låg-Tg FR-4: Tg ≈ 135 °C
Mellan-Tg FR-4: Tg ≈ 150 °C
Hög-Tg FR-4: Tg ≈ 170 °C

Rekommendation för val: Material med hög Tg är obligatoriska för flerskiktslaminering av kretskort, kort med många lager, löttemperaturer ≥ 230 °C, långvariga driftstemperaturer över 100 °C, våglödning och andra driftsförhållanden med hög termisk belastning.

Förlustfaktor (Df) och dielektricitetskonstant (Dk)
Dessa två grundläggande dielektriska egenskaper varierar med signalfrekvensen. Ett högre Df-värde orsakar kraftig dämpning av signalöverföringen, medan Dk huvudsakligen styr impedansstabiliteten för ledarbanor.

Klassificering av FR-4 utifrån Df-värde:

Material med standardförluster: Df ≥ 0,02
Material med mellanförluster: 0,01 ≤ Df < 0,02
Material med låga förluster: 0,005 ≤ Df < 0,01
Material med ultralåga förluster: Df < 0,005

Jämförande spårbeständighetsindex (CTI)
CTI mäter ett isolerande materials förmåga att motstå elektriskt spårgenombrott. Värmeinducerad karbonisering på isolatorytor bildar ledande vägar som slutligen orsakar kortslutningar mellan elektroder. CTI-värdet är positivt korrelerat med isolationsförmågan; ett högre CTI tillåter minskat krypavstånd mellan ledare.
Prestandaklasser (PLC) motsvarande CTI-spänningsintervall:

Rekommendation för val: Prioritera FR 4 med höga CTI-klasser för rymd- och flygteknik, marin utrustning, högspännings- och högströmutrustning samt andra tillämpningar med stränga isolationskrav.

Begränsningar hos FR-4 material

FR-4 har fördelar såsom låg kostnad, utmärkt bearbetbarhet, stabila elektriska egenskaper, hög mekanisk hållfasthet och tillfredsställande värmebeständighet. Materialet har dock tydliga nackdelar för produkter med hög hastighet, hög frekvens och hög effekt.

1.Kraftiga förluster vid signalöverföring
Signalförlusterna blir framträdande för FR 4 vid höga överföringshastigheter och långa ledarbanor. Vanligt FR-4 har ett Df-värde på cirka 0,020, medan specialunderlag för höga hastigheter uppnår Df så lågt som 0,004, endast en fjärdedel av förlustnivån hos FR 4. Dessutom ökar de dielektriska förlusterna hos FR 4 brant och linjärt med stigande frekvens, medan högfrekvensunderlag uppvisar en måttlig och avmattande förlustökning. Design av höghastighetskretskort kräver att man använder lågförlustunderlag anpassade till driftfrekvensen.

2.Otillräcklig noggrannhet i impedansstyrning
Dk bestämmer direkt impedansen hos ledarbanor; diskontinuerlig impedans orsakar signalintegritetsproblem såsom överhopp, reflektioner och ringning. FR 4 har en maximal Dk-avvikelse på upp till 10 %, medan underlag för högfrekvens och höga hastigheter begränsar avvikelsen till under 2 %. Den maximala impedansnoggrannheten hos FR 4 uppfyller inte kraven för högprecisionsimpedansdesign.

3.Dålig värmeledningsförmåga
FR-4 har en värmeledningsförmåga på endast 0,3–0,4 W/m·K, vilket ger begränsad värmeavledningsförmåga. Lösningar för högeffektprodukter inkluderar underlag med hög värmeledningsförmåga, inbäddade kopparstänger och kopparblock samt metallkärnskretskort för att höja effektiviteten i värmeavledningen.

4.Otillräcklig termisk stabilitet vid höga temperaturer
FR-4 tenderar att skeva och deformeras vid långvarig exponering för höga temperaturer. Topptemperaturen för blyfri reflow-lödning är 250 °C, vilket överstiger Tg-värdet hos de flesta FR-4 klasser. Termisk expansion och sammandragning i materialet skapar inre spänningar som lätt orsakar kalla lödpunkter och sprickor i lödfogar. För kretskortsmonteringar med komponenter större än 3,2 × 1,6 mm rekommenderas underlag med låg termisk expansionskoefficient (CTE).