Uitleg over FR4-printplaatmateriaal

FR4 is al tientallen jaren het standaardmateriaal voor printplaten. Dankzij de combinatie van elektrische eigenschappen, mechanische sterkte en betaalbaarheid is het geschikt voor alles, van eenvoudige consumentenproducten tot complexe meerlaagse printplaten.

Hoewel er tegenwoordig veel gespecialiseerde laminaten verkrijgbaar zijn, blijft FR4 voor de meesten de eerste keuze PCB-ontwerpen omdat het een goede balans biedt tussen betrouwbaarheid en productiekosten.

Wat FR4 betekent

FR staat voor vlamvertragend, terwijl het cijfer 4 verwijst naar de classificatie zoals vastgelegd in de NEMA-norm.

FR4 wordt vervaardigd uit geweven glasvezeldoek dat is geïmpregneerd met epoxyhars. Na uitharding onder invloed van warmte en druk vormt het materiaal een stijve, isolerende drager waarop koperen lagen en elektronische componenten kunnen worden aangebracht.

Het materiaal biedt:

• Goede mechanische sterkte
• Stabiele elektrische eigenschappen
• Uitstekende isolatie
• Vochtbestendigheid
• Lage productiekosten

Deze kenmerken verklaren waarom FR4 de PCB-industrie.

Hoe FR4 wordt gebruikt bij de productie van printplaten

FR4 fungeert als het diëlektrische materiaal tussen de koperlagen.

Typische structuren zijn onder meer:

Enkelzijdige printplaten

Gebruikt in:

• Stroomadapters
• Huishoudelijke apparaten
• LED-producten

Dubbelzijdige platen

Komt vaak voor in:

• Industriële besturingen
• Automobielelektronica
• Communicatieapparatuur

Meerlagige borden

Veel gebruikt voor:

• Servers
• Medische apparaten
• Netwerkapparatuur
• Ingebedde systemen

Moderne meerlaagse printplaten met 4 tot 20 lagen worden doorgaans vervaardigd met behulp van FR4-laminaten en prepregs.

Algemene materiaaleigenschappen van FR4

Hoewel de specificaties per fabrikant verschillen, hebben standaard FR4-materialen doorgaans de volgende kenmerken.

Deze waarden zijn geschikt voor de meeste elektronische producten met een laag of gemiddeld toerental.

FR4 met standaard TG en hoge TG

Een belangrijke eigenschap van FR4 is de glasovergangstemperatuur (TG).

Standaard TG-materialen

De typische TG-waarden liggen tussen 130 °C en 140 °C.

Toepassingen zijn onder andere:

• Consumentenelektronica ~4,3-4,8)
• Huishoudelijke apparaten
• Algemene industriële producten

Materialen met een hoge TG-waarde

Laminaten met een hoge TG-waarde hebben doorgaans waarden boven 170 °C.

Ze leveren betere prestaties onder:

• Loodvrije assemblage
• Hoge bedrijfstemperaturen
• Meerdere reflow-cycli

Materialen met een hoge TG-waarde komen vaak voor in:

• Automobielelektronica
• Voedingen
• Servers
• Telecommunicatieapparatuur

Interne link: FR4-printplaat met hoge TG-waarde

Voordelen van FR4

Er zijn verschillende factoren die ervoor zorgen dat FR4 het meest gebruikte substraat in de sector is.

Kostenefficiëntie

FR4 is aanzienlijk goedkoper dan RF-laminaten en speciale materialen.

Uitgewerkt productieproces

Vrijwel elke printplaatfabrikant biedt de productie van FR4-printplaten aan.

Mechanische stabiliteit

De glasvezelconstructie zorgt voor een uitstekende stijfheid en maatvastheid.

Ruime beschikbaarheid

Grote leveranciers zoals Shengyi, Kingboard, ITEQ en Isola bieden talrijke FR4-productfamilies aan.

Geschikt voor de meeste toepassingen

Bij frequenties onder enkele gigahertz voldoet FR4 doorgaans aan de elektrische eisen zonder dat dit buitensporige kosten met zich meebrengt.

Beperkingen van FR4

Ondanks zijn veelzijdigheid is FR4 niet voor elke toepassing geschikt.

Groter signaalverlies

In vergelijking met laminaten met een laag verlies vertoont FR4 bij hoge frequenties een hoger diëlektrisch verlies.

Beperkte warmtegeleiding

De warmteafvoer is relatief slecht.

Dk-variatie

De diëlektrische constante varieert afhankelijk van de frequentie en de productieomstandigheden, wat van invloed kan zijn op de consistentie van de impedantie.

Niet geschikt voor RF-toepassingen

Voor ontwerpen met microgolf- en millimetergolftechnologie zijn vaak speciale materialen nodig.

Populaire merken van FR4-materiaal

Verschillende fabrikanten van laminaat domineren de markt.

Shengyi

Wordt op grote schaal gebruikt in Azië en staat bekend om zijn stabiele kwaliteit.

Kingboard

Een van de grootste leveranciers van printplaatlaminaat ter wereld.

ITEQ

Wordt vaak gebruikt voor netwerk- en industriële toepassingen.

Isola

Populair in Noord-Amerika en uiterst betrouwbare producten.

Ventec

Levert materialen voor hoge snelheden en warmtebeheer.

Verschillende fabrikanten bieden gelijkwaardige kwaliteiten aan, waardoor ingenieurs de kosten en de flexibiliteit van de toeleveringsketen kunnen optimaliseren.

Typische toepassingen van FR4

FR4-printplaten worden in vrijwel elke tak van de elektronica-industrie gebruikt.

Consumentenelektronica

• Slimme apparaten
• Huishoudelijke apparaten
• Stroomadapters

Industriële apparatuur

• PLC-systemen
• Omvormers
• Automatiseringsregelaars

Automobielelektronica

• Body control modules
• Sensoren
• Infotainmentsystemen

Medische apparaten

• Meetapparatuur
• Draagbare instrumenten

Communicatieproducten

• Routers
• Schakelaars
• Netwerkmodules

Tenzij er sprake is van hoge frequenties of extreme temperaturen, blijft FR4 een praktische en voordelige keuze.

Wanneer FR4 niet meer volstaat

Naarmate de gegevenssnelheden en frequenties blijven toenemen, stuit men als ingenieur vaak op de beperkingen van conventioneel FR4.

Toepassingen zoals:

• 5G-infrastructuur
• Snelle servers
• Radarsystemen
• RF-modules

hiervoor kunnen materialen nodig zijn met:

• Lager diëlektrisch verlies
• Stabielere Dk-waarden
• Verbeterde thermische prestaties

In dergelijke gevallen zijn Rogers, PTFE, Megtron en andere materialen met een lage signaalverlies een geschiktere keuze.

FAQ