مواد PCB FR4: خواص، ثابت دی الکتریک، CTE و راهنمای برگه داده

FR4 چیست؟ تعریف و جایگاه صنعت

FR4 - همچنین FR-4 نوشته شده است - پرمصرف ترین ماده پایه برای بردهای مدار چاپی در سراسر جهان است. نامگذاری مخفف است بازدارنده شعله نوع 4 ، طبقه بندی درجه ای که توسط انجمن ملی تولیدکنندگان برق (NEMA) تحت استاندارد LI 1 تعریف شده است. این یک تقویت کننده پارچه فایبر گلاس بافته شده در یک ماتریس رزین اپوکسی، با یک سیستم بازدارنده شعله مبتنی بر برم یا فسفر که در رزین گنجانده شده است برای برآورده کردن الزامات اشتعال پذیری UL 94 V-0 مشخص می کند.

FR4 غالب بوده است مواد PCB از دهه 1970، ورقه‌های کاغذی فنولی قبلی (FR1، FR2) و کامپوزیت‌های پنبه‌شیشه‌ای (FR3) تقریباً در تمام کاربردهای الکترونیکی رایج جایگزین شدند. ترکیبی از عملکرد عایق الکتریکی، استحکام مکانیکی، پایداری ابعادی، مقاومت در برابر رطوبت، و قابلیت پردازش با هزینه رقابتی، با هیچ ماده جایگزین منفرد در قیمت‌های قابل مقایسه بی‌رقیب است. یک تخمین زده شده 90٪ یا بیشتر از تمام بردهای مدار PCB صلب تولید شده در سطح جهانی از FR4 یا یک فرمول مشتق به عنوان بستر استفاده می کند.

اصطلاح "FR4" از نظر فنی به مواد لمینت - پایه دی الکتریک - به جای تخته تمام شده اشاره دارد. یک PCB FR4 هیئت مدیره یا برد مدار چاپی FR4 یک تخته تکمیل شده است که در آن بستر از ورقه ورقه FR4 است، لایه‌های فویل مسی به یک یا هر دو سطح چسبانده می‌شوند و آثار رسانا، پدها و ویزها از طریق فرآیندهای حکاکی و سوراخ‌کاری تشکیل می‌شوند.

خواص مواد FR4: مشخصات فنی کامل

خواص مواد FR4 تا حدی بین تولید کنندگان و فرمولاسیون های خاص متفاوت است، اما مقادیر زیر نشان دهنده محدوده استاندارد تعیین شده برای لمینت FR4 همه منظوره است که در صفحات اسلش IPC-4101 /21 و /24 (متداول ترین گریدهای تجاری) مشخص شده است. مهندسین طراحی با ارجاع به یک برگه اطلاعات مواد FR4 باید مقادیر خاص سازنده را برای هر محصول معین معتبر تلقی کند، اما ارقام زیر برای محاسبات طراحی اولیه قابل اعتماد هستند.

خواص دی الکتریک

را ثابت دی الکتریک FR4 - همچنین گذردهی نسبی (Dk یا εr) نامیده می شود - یکی از پارامترهای مورد اشاره در طراحی PCB است. سرعت انتشار سیگنال و امپدانس ردپای امپدانس کنترل شده را تعیین می کند. استاندارد FR4 دارای یک ثابت دی الکتریک تقریباً 4.2-4.6 در فرکانس 1 مگاهرتز اندازه گیری می شود که معمولاً به عنوان 4.3 یا 4.4 برای مرجع طراحی ذکر می شود. در فرکانس های بالاتر (1 گیگاهرتز)، ثابت دی الکتریک نسبی FR4 معمولاً به دلیل پراکندگی فرکانس در کامپوزیت اپوکسی شیشه به محدوده 4.0-4.2 کاهش می یابد.

این وابستگی فرکانس یک محدودیت حیاتی استاندارد FR4 در طراحی دیجیتال پرسرعت و RF است. تقریباً بالای 1 تا 2 گیگاهرتز، تغییرات در گذردهی نسبی FR4 با فرکانس به اندازه ای قابل توجه می شود که باعث ایجاد مشکلات یکپارچگی سیگنال می شود - تغییرات تاخیر انتشار، انحراف جفت دیفرانسیل، و انحراف امپدانس از اسمی. انواع کم تلفات FR4 و لمینت های فرکانس بالا با هدف طراحی شده (راجرز، ایزولا، تاکونیک) این مشکل را با هزینه بالاتر برطرف می کنند.

را dissipation factor (Df, loss tangent) of standard FR4 is 0.017-0.025 در 1 مگاهرتز ، با فرکانس افزایش می یابد. برای مقایسه، Rogers RO4003C دارای Df 0.0027 است - تقریباً یک مرتبه قدر کمتر - به همین دلیل استاندارد است. دی الکتریک FR4 این ماده در کاربردهای مایکروویو یا امواج میلی متری استفاده نمی شود.

خواص مکانیکی

FR4 یک لمینت سخت و سفت و سخت با مقاومت خمشی خوب است:

• استحکام خمشی (در طول): 415-550 مگاپاسکال
• استحکام کششی: 310–410 مگاپاسکال (در طول)
• مدول یانگ (در صفحه): تقریباً 18-24 گیگا پاسکال
• مقاومت فشاری: 415 مگاپاسکال (عمود بر لمینت)
• سختی راکول (مقیاس M): 110

راse values make FR4 substantially stronger than thermoplastic PCB substrates and sufficiently rigid for automated PCB assembly processes including pick-and-place, wave soldering, and reflow without requiring fixture support for standard board thicknesses (1.0–3.2 mm).

راrmal Properties

راrmal performance is the most commonly cited limitation of FR4 in power electronics and high-dissipation applications:

• راrmal conductivity of FR4: 0.25-0.35 W/(m·K) داخل هواپیما؛ تقریباً 0.3 W/(m·K) عمود بر ورقه ورقه. این مقدار در مقایسه با آلومینیوم (205 W/(m·K)) یا مس (385 W/(m·K)) بسیار کم است، به همین دلیل است که از گذرگاه‌های حرارتی، ریزش‌های مس و بسترهای PCB با هسته فلزی در طرح‌هایی که از نظر حرارتی نیاز دارند استفاده می‌شود.
• دمای انتقال شیشه ای (Tg): استاندارد FR4 - 130-140 درجه سانتیگراد؛ متوسط ​​Tg FR4 - 150-160 درجه سانتیگراد. Tg بالا FR4 - 170-180 درجه سانتیگراد. در بالای Tg، ماتریس اپوکسی نرم می شود و مواد ثبات ابعادی خود را از دست می دهند. فرآیندهای لحیم کاری بدون سرب در دمای 260 درجه سانتیگراد به اوج خود می رسد، به همین دلیل است که FR4 با Tg بالا برای مجموعه های مطابق با RoHS مشخص شده است.
• دمای تجزیه (Td): 300-340 درجه سانتیگراد برای نمرات استاندارد؛ بالاتر از 340 درجه سانتیگراد برای فرمولاسیون بدون هالوژن با قابلیت اطمینان بالا.
• ظرفیت حرارتی ویژه: تقریباً 1.0-1.1 J/(g·K)

ضریب انبساط حرارتی (CTE از FR4)

را CTE از FR4 ناهمسانگرد است - بین جهت های درون صفحه (x-y) و جهت خارج از صفحه (محور z) تفاوت قابل توجهی دارد:

• CTE x-y (در هواپیما): 14-17 ppm/°C (زیر Tg)
• محور z CTE (ضخامت در طول): 50-70 ppm/°C (زیر Tg)؛ 200-300 ppm/°C بالاتر از Tg

را high z-axis CTE is the principal cause of barrel cracking in plated through-holes (PTH) during thermal cycling. The z-axis expansion stresses the copper barrel of the via, which has a CTE of only 17 ppm/°C, creating fatigue cracks at the knee radius after repeated thermal excursions. This is a design-life concern in high-cycle environments such as automotive and industrial electronics, and it drives the specification of high-Tg or halogen-free FR4 variants with lower z-axis CTE.

خواص فیزیکی

• چگالی مواد FR4: 1.85-1.95 g/cm³ (معمولاً 1.9 گرم بر سانتی‌متر مکعب برای شیشه اپوکسی استاندارد FR4 ذکر می‌شود). را چگالی مواد FR4 در درجه اول توسط کسر حجمی فیبر شیشه و سیستم رزین تعیین می شود. محتوای شیشه بالاتر چگالی را افزایش می دهد. رزین های بدون هالوژن با بارهای پرکننده مختلف می توانند چگالی را کمی تغییر دهند.
• جذب آب (غوطه وری 24 ساعته): 0.10-0.20٪ وزن - به اندازه کافی کم برای حفظ عملکرد عایق الکتریکی در اکثر محیط های عملیاتی
• مقاومت حجمی: 10⁸–1010 MΩ·cm
• مقاومت سطحی: 10⁴–106 MΩ
• قدرت شکست دی الکتریک: 20-50 کیلوولت بر میلی متر (عمود بر لمینت)
• درجه اشتعال پذیری: UL 94 V-0

چیست PCB چیدمان و چگونگی تأثیر ویژگی های FR4 بر تصمیمات طراحی

طرح PCB فرآیند قرار دادن قطعات الکترونیکی و مسیریابی ردپاها، هواپیماها و راه های مسی است که آنها را به صورت الکتریکی روی یک برد مدار چاپی متصل می کند. چیدمان با استفاده از نرم‌افزار EDA (Electronic Design Automation) پس از تصویربرداری شماتیک انجام می‌شود و مرحله‌ای است که ویژگی‌های فیزیکی مواد زیرلایه - از جمله ثابت دی الکتریک FR4، هدایت حرارتی و CTE - مستقیماً بر انتخاب‌های طراحی تأثیر می‌گذارد.

را four FR4 properties most directly relevant to PCB layout decisions are:

• ثابت دی الکتریک (Dk): امپدانس ردیابی میکرو نوار و خط نواری را تعیین می کند. یک ردیابی ریز نوار 50 اهم در استاندارد FR4 (Dk ≈ 4.3) نیاز به محاسبه عرض متفاوتی نسبت به همان ردیابی روی Rogers RO4003C دارد (Dk = 3.55). ماشین‌حساب‌های امپدانس باید از مقدار Dk صحیح برای لمینت FR4 مشخص شده استفاده کنند، نه یک رقم عمومی.
• راrmal conductivity: رسانایی حرارتی پایین (0.3 W/(m·K)) به این معنی است که گرمای تولید شده توسط قطعات به خوبی از طریق برد پخش می شود. چیدمان باید با طراحی امداد حرارتی، نواحی ریختن مس متصل به صفحات زمین، و حرارتی از طریق آرایه‌های تحت اجزای پر اتلاف مانند ماسفت‌های قدرت، تنظیم‌کننده‌ها و تقویت‌کننده‌های توان RF جبران شود.
• عدم تطابق CTE: ~ 14-17 ppm/°C CTE درون صفحه FR4 نزدیک به CTE بسیاری از بسته های IC است اما مشابه آن نیست (سیلیکون: ~ 2.6 ppm/°C؛ سرامیک: ~6-7 ppm/°C؛ بسته های BGA مطابق با FR4: ~14-16 ppm/°C). برای قطعات با عدم تطابق قابل توجه CTE، کاربرد کم پر کردن، تست چرخه حرارتی بر اساس IPC-9701، و قرار دادن قطعات به دور از نقاط تنش برد (گوشه ها، سوراخ های نصب) شیوه های چیدمان استاندارد هستند.
• مماس از دست دادن: تضعیف سیگنال در FR4 به دلیل Df نسبتاً بالا با فرکانس به شدت افزایش می یابد. برای جفت‌های دیفرانسیل که سیگنال‌های بالاتر از ۲ تا ۳ گیگابیت بر ثانیه را حمل می‌کنند، به حداقل رساندن طول ردیابی، به حداقل رساندن انتقال لایه‌ها، و در نظر گرفتن انواع کم‌تلفات FR4، استراتژی‌های کاهش سطح چیدمان قبل از تغییر به یک ماده زیرلایه کاملاً متفاوت هستند.

انواع FR4: استاندارد، Tg بالا، بدون هالوژن و مقایسه FR1

نه همه مواد برد مدار FR4 معادل است. نام پایه خانواده ای از فرمول ها را با مشخصات عملکردی متفاوت بسته به سیستم رزین و شیمی پرکننده پوشش می دهد.

استاندارد FR4 (Tg 130-140 درجه سانتیگراد)

را baseline formulation, adequate for consumer electronics, general industrial, and telecom applications processed with tin-lead solder (peak reflow ~220°C). Not recommended for lead-free reflow without confirmation that the specific laminate product is rated for 260°C peak process temperatures.

Tg بالا FR4 (Tg 170-180 درجه سانتیگراد)

فرموله شده با رزین اپوکسی اصلاح شده (اغلب ترکیبی اپوکسی یا سیانات استر چند منظوره) که Tg را به 170-180 درجه سانتیگراد افزایش می دهد. این امر حاشیه حرارتی بیشتری را برای پردازش بدون سرب فراهم می‌کند، CTE محور z را کاهش می‌دهد و مقاومت لایه‌برداری را در تخته‌های چند لایه با چگالی بالا بهبود می‌بخشد. High-Tg FR4 مشخصات استاندارد در خودروها، صنعتی، سرورها و کاربردهای نظامی مجاور است.

FR4 بدون هالوژن

FR4 سنتی از مواد بازدارنده شعله مبتنی بر برم (tetrabromobisphenol A، TBBPA) استفاده می کند که هنگام سوختن گاز سمی هیدروژن برومید تولید می کند. انواع بدون هالوژن با سیستم های بازدارنده شعله فسفر-نیتروژن یا تری هیدروکسید آلومینیوم (ATH) جایگزین می شوند. FR4 بدون هالوژن دارای Dk کمتر (معمولاً 3.8-4.2) و خواص مکانیکی کمی متفاوت از معادل های برم دار است. این به طور فزاینده ای در لوازم الکترونیکی مصرفی اروپایی تحت چارچوب های RoHS و REACH و در زنجیره های تامین خودرو خاص الزامی می شود.

مواد PCB FR1 در مقابل FR4

PCB FR1 به جای کامپوزیت فایبرگلاس-اپوکسی، یک ورقه ورقه کاغذی فنلی است - بستر کاغذی آغشته به رزین فنولیک. این به طور قابل توجهی ارزان تر از FR4 است، به جای سوراخ کردن تمیز، پانچ می کند و در PCB های ساده یک طرفه برای کاربردهای حساس به هزینه مانند کنترل از راه دور، وسایل الکترونیکی اسباب بازی و بردهای منبع تغذیه ساده استفاده می شود. FR1 در مقایسه با FR4 دارای عایق الکتریکی، مقاومت در برابر رطوبت و استحکام مکانیکی پایین تر است. برد مدار مواد، و برای ساخت و ساز چند لایه، قرار دادن قطعات با گام ریز، یا هر برنامه کاربردی که نیاز به قابلیت اطمینان در چرخه حرارتی یا قرار گرفتن در معرض رطوبت دارد، مناسب نیست.

وقتی FR4 ماده PCB مناسبی نیست

با وجود تسلطش، مواد PCB FR4 دارای مرزهای کاربردی به خوبی تعریف شده است. درک اینکه کجا کوتاه است به مهندسان کمک می کند تا در ابتدا به جای کشف محدودیت ها در طول آزمایش، بستر درست را انتخاب کنند.

• RF و مایکروویو (بالای 1 تا 2 گیگاهرتز): Dk وابسته به فرکانس و Df بالا FR4 آن را برای آنتن های میکرواستریپ، قسمت های جلویی رادار و شبکه های تطبیق RF بالاتر از فرکانس های پایین گیگاهرتز نامناسب می کند. به جای آن از ورقه های PTFE (راجرز، تاکونیک)، ورقه های هیدروکربنی پر شده با سرامیک (سری Rogers RO4000) و مواد اپوکسی اصلاح شده کم تلفات استفاده می شود.
• ال ای دی پرقدرت و الکترونیک قدرت: هدایت حرارتی پایین FR4 (0.3 W/(m·K)) دمای اتصال غیرقابل قبولی را در طرح‌های توان با چگالی بالا ایجاد می‌کند. PCB های هسته فلزی (MCPCB) با هسته های آلومینیومی یا مسی (رسانایی حرارتی 1.0-3.0 W/(m·K) برای لایه دی الکتریک، به علاوه هسته فلزی) برای روشنایی LED، درایوهای موتور، و تخته های مبدل DC-DC با الزامات اتلاف حرارت قابل توجهی استاندارد هستند.
• مدارهای انعطاف پذیر: FR4 سفت و سخت است. PCBهای انعطاف‌پذیر و انعطاف‌پذیر از بستر پلی‌آمید (Kapton) استفاده می‌کنند که عایق الکتریکی قابل مقایسه، انعطاف‌پذیری بسیار بیشتر و محدوده دمایی وسیع‌تر (200- تا 300 درجه سانتی‌گراد مداوم) را ارائه می‌دهد.
• دمای بالای عملیاتی بالای 130 درجه سانتیگراد مداوم: استاندارد FR4 Tg دمای کارکرد مداوم را بسیار کمتر از مقدار Tg محدود می کند. ورقه‌های پلی‌آمید، بسترهای سرامیکی یا لمینت‌های تخصصی با Tg بالا برای عملیات مداوم در دمای بالا مورد نیاز هستند.

خواندن برگه داده مواد FR4: چه چیزی را بررسی کنیم

یک برگه اطلاعات مواد FR4 از یک سازنده لمینت (Isola، Shengyi، Kingboard، Nan Ya، Ventec، Panasonic) معمولاً ویژگی‌ها را در چندین شرایط اندازه‌گیری فهرست می‌کند. در زیر مقادیری که مهندسان معمولاً به آن نیاز دارند و مواردی که هنگام مقایسه محصولات باید به آنها توجه کنند، آورده شده است.

• فرکانس اندازه گیری Dk و Df: همیشه بررسی کنید که ثابت دی الکتریک در چه فرکانسی گزارش شده است. Dk 4.5 در 1 مگاهرتز و 4.1 در 1 گیگاهرتز در یک ماده هر دو صحیح هستند - آنها شرایط متفاوتی را توصیف می کنند. برای کار یکپارچگی سیگنال، از مقدار در فرکانس طراحی یا بالاترین هارمونیک عملیاتی استفاده کنید.
• روش اندازه گیری Tg: Tg را می توان با DSC (کالریمتری اسکن دیفرانسیل)، DMA (تحلیل مکانیکی پویا) یا TMA (تحلیل حرارتی مکانیکی) اندازه گیری کرد که نتایج عددی متفاوتی را برای یک ماده ارائه می دهد. DSC معمولاً کمترین مقدار را می دهد. DMA بالاترین را می دهد. IPC-4101 روش آزمایش را برای هر صفحه اسلش مشخص می کند، بنابراین فقط در همان روش مقایسه کنید.
• راrmal conductivity measurement direction: رسانایی حرارتی درون صفحه FR4 بالاتر از ضخامت است. برای محاسبات پخش حرارت، از مقدار ضخامت (جهت Z) استفاده کنید. برای طرح‌های هدایت‌شده لبه، از مقدار درون صفحه استفاده کنید.
• مطابقت با ورق اسلش IPC-4101: شماره صفحه اسلش به شما می گوید حداقل کلاس عملکردی که لمینت با آن مطابقت دارد. /21 استاندارد تجاری FR4 است. /24 Tg بالاتر است. /26 بدون هالوژن با Tg بالا است. مشخص کردن یک صفحه اسلش به جای "FR4" از جایگزینی با مواد درجه پایین بدون اطلاع شما جلوگیری می کند.
• مقاومت CAF: مقاومت رشته آندی رسانا (CAF) - توانایی مقاومت در برابر رشد الکتروشیمیایی رشته‌های مس در امتداد رابط فیبر شیشه‌ای-رزین تحت بایاس ولتاژ در شرایط مرطوب - به طور فزاینده‌ای در طراحی‌های خودرو و با قابلیت اطمینان بالا مشخص می‌شود. همه برگه های داده FR4 شامل داده های CAF نیستند. هنگام طراحی برای محیط های با رطوبت بالا یا ولتاژ بالا، آن را به صراحت درخواست کنید.