FR4-piirilevyjen materiaali selitettynä

FR4 on ollut piirilevyjen vakiomateriaali jo vuosikymmenten ajan. Sen sähköisten ominaisuuksien, mekaanisen lujuuden ja edullisuuden yhdistelmä tekee siitä sopivan materiaalin kaikenlaisiin sovelluksiin yksinkertaisista kuluttajatuotteista monimutkaisiin monikerroksisiin piirilevyihin.

Vaikka nykyään on saatavilla monia erikoistuneita laminaatteja, FR4 on edelleen useimpien ensisijainen valinta piirilevyjen suunnittelu koska se tarjoaa hyvän tasapainon luotettavuuden ja valmistuskustannusten välillä.

Mitä FR4 tarkoittaa

FR tarkoittaa palonkestävyyttä, kun taas numero 4 viittaa NEMA-standardin mukaisiin luokituksiin.

FR4 on valmistettu epoksihartsilla kyllästetystä lasikuitukankaasta. Lämmön ja paineen alaisena kovettumisen jälkeen materiaalista muodostuu jäykkä eristävä alusta, jolle voidaan kiinnittää kuparikerroksia ja elektroniikkakomponentteja.

Aineisto tarjoaa:

• Hyvä mekaaninen lujuus
• Vakaat sähköiset ominaisuudet
• Erinomainen eristys
• Kosteudenkestävyys
• Alhaiset valmistuskustannukset

Nämä ominaisuudet selittävät, miksi FR4 on hallitseva materiaali PCB-teollisuus.

FR4:n käyttö piirilevyjen valmistuksessa

FR4 toimii kuparikerrosten välisenä dielektrisenä materiaalina.

Tyypillisiä rakenteita ovat muun muassa:

Yksipuoliset levyt

Käyttökohteet:

• Virtalähteet
• Kodinkoneet
• LED-tuotteet

Kaksipuoliset levyt

Yleistä:

• Teollisuusohjaimet
• Autoelektroniikka
• Viestintälaitteet

Monikerroksiset levyt

Käytetään yleisesti:

• Palvelimet
• Lääkinnälliset laitteet
• Verkkolaitteet
• Sulautetut järjestelmät

Nykyaikaiset 4–20-kerroksiset piirilevyt valmistetaan yleensä FR4-laminaateista ja prepreg-materiaaleista.

FR4-materiaalin yleiset ominaisuudet

Vaikka tekniset tiedot vaihtelevat valmistajittain, tavanomaisilla FR4-materiaaleilla on yleensä seuraavat ominaisuudet.

Nämä arvot sopivat useimpiin hidas- ja keskikierroksisiin elektroniikkatuotteisiin.

Tavallinen TG ja korkea TG FR4

Yksi FR4:n tärkeistä ominaisuuksista on lasittumislämpötila (TG).

TG-vakiomateriaalit

Tyypilliset TG-arvot vaihtelevat välillä 130 °C – 140 °C.

Sovelluksia ovat mm:

• Viihde-elektroniikka
• Kodinkoneet
• Yleiset teollisuustuotteet

Korkean TG-arvon omaavat materiaalit

Korkean TG-arvon omaavien laminaattien TG-arvot ovat yleensä yli 170 °C.

Ne tarjoavat paremman suorituskyvyn seuraavissa olosuhteissa:

• Lyijytön kokoonpano
• Korkeat käyttölämpötilat
• Useita uudelleenjuotosjaksoja

TG-arvoltaan korkeita materiaaleja esiintyy yleisesti seuraavissa:

• Autoelektroniikka
• Virtalähteet
• Palvelimet
• Televiestintälaitteet

Sisäinen linkki: Korkean TG-arvon FR4-piirilevy

FR4:n edut

Useat tekijät tekevät FR4:stä alan yleisimmin käytetyn substraatin.

Kustannustehokkuus

FR4 on huomattavasti edullisempaa kuin RF-laminaatit ja erikoismateriaalit.

Kehittynyt valmistusprosessi

Lähes kaikki piirilevyvalmistajat tarjoavat FR4-levyjen valmistusta.

Mekaaninen vakaus

Lasikuiturakenne takaa erinomaisen jäykkyyden ja mittavakauden.

Laaja saatavuus

Suuret toimittajat, kuten Shengyi, Kingboard, ITEQ ja Isola, tarjoavat lukuisia FR4-tuoteperheitä.

Sopii useimpiin käyttötarkoituksiin

Useita gigahertsejä alhaisemmilla taajuuksilla FR4 täyttää yleensä sähköiset vaatimukset ilman kohtuuttomia kustannuksia.

FR4:n rajoitukset

Monipuolisuudestaan huolimatta FR4 ei sovellu kaikkiin käyttötarkoituksiin.

Suurempi signaalihäviö

Verrattuna vähähäviöisiin laminaatteihin FR4:llä on suurempi dielektrinen häviö korkeilla taajuuksilla.

Rajoitettu lämmönjohtavuus

Lämmönpoistokyky on suhteellisen heikko.

Dk-muunnelma

Dielektrisyysvakio vaihtelee taajuuden ja valmistusolosuhteiden mukaan, mikä voi vaikuttaa impedanssin tasaisuuteen.

Ei sovellu RF-sovelluksiin

Mikroaalto- ja millimetriaaltosuunnittelu vaatii usein erikoismateriaaleja.

Suosittuja FR4-materiaalimerkkejä

Markkinoita hallitsevat useat laminaattivalmistajat.

Shengyi

Käytetään laajalti Aasiassa ja tunnetaan vakaasta laadustaan.

Kingboard

Yksi maailman suurimmista piirilevylaminaattien toimittajista.

ITEQ

Käytetään usein verkko- ja teollisuussovelluksissa.

Isola

Suosittuja Pohjois-Amerikassa ja erittäin luotettavia tuotteita.

Ventec

Tarjoaa nopeita ja lämmönhallintaan tarkoitettuja materiaaleja.

Eri valmistajat tarjoavat vastaavia laatuluokkia, minkä ansiosta insinöörit voivat optimoida kustannuksia ja toimitusketjun joustavuutta.

FR4:n tyypilliset käyttökohteet

FR4-levyjä käytetään lähes kaikilla elektroniikan aloilla.

Viihde-elektroniikka

• Älylaitteet
• Kodinkoneet
• Virtalähteet

TeollisuuslaitteetN/OFF)

• PLC-järjestelmät
• Invertterit
• Automaatio-ohjaimet

Autoteollisuuden elektroniikka

• Korin ohjausmoduulit
• Anturit
• Viihde- ja tietojärjestelmät

Lääkinnälliset laitteet

• Valvontalaitteet
• Kannettavat laitteet

Viestintätuotteet

• Reitittimet
• Kytkimet
• Verkkomoduulit

Ellei kyseessä ole korkeita taajuuksia tai äärimmäisiä lämpötiloja, FR4 on edelleen käytännöllinen ja taloudellinen valinta.

Kun FR4 ei enää riitä

Kun tiedonsiirtonopeudet ja taajuudet kasvavat jatkuvasti, insinöörit törmäävät usein perinteisen FR4-materiaalin rajoituksiin.

Sovellukset, kuten:

• 5G-infrastruktuuri
• Nopeat palvelimet
• Tutkajärjestelmät
• RF-moduulit

saattaa edellyttää materiaaleja, joissa on:

• Pienempi dielektrinen häviö
• Vakaammat Dk-arvot
• Parannettu lämpötehokkuus

Tällaisissa tapauksissa Rogers, PTFE, Megtron ja muut vähähäviöiset materiaalit ovat sopivampia vaihtoehtoja.

FAQ