Les propriétés du matériau FR-4 qui comptent le plus dépendent de ce que votre PCB doit supporter : signaux électriques, chaleur d'assemblage, températures de fonctionnement, contrainte de tension, humidité et charges mécaniques. Commencez par la constante diélectrique et les pertes, la dilatation thermique et la stabilité, les performances d'isolation et les exigences mécaniques.
Le FR-4 est une classe de matériau époxy renforcé de fibre de verre, ignifuge. Il ne désigne pas une formulation fixe unique ni un ensemble de propriétés numériques. Sélectionnez un stratifié nommé et évaluez ses données dans des conditions pertinentes pour votre conception.
Ce guide explique comment interpréter ces propriétés, comparer les constructions candidates et fournir à votre fournisseur de PCB des exigences que l'ingénierie et les achats peuvent tous deux utiliser.
Points clés
- Consignez le produit stratifié, la construction, la fréquence, la température et la méthode d'essai derrière les valeurs importantes.
- Évaluez la Tg parallèlement aux données de décomposition, de dilatation, de délaminage et de comportement thermique à long terme.
- Utilisez des données électriques spécifiques à la construction lors de l'élaboration d'un empilage ; une Dk générique de FR-4 est insuffisante pour la validation.
- Définissez les exigences d'acceptation et l'approbation de substitution avant de commander.
Propriétés du matériau FR-4 en un coup d'œil
Un tableau de référence avec valeurs, unités et conditions d'essai
Les exemples ci-dessous sont des valeurs publiées typiques pour l'Isola 370HR, et non des limites universelles du FR-4 ni des spécifications d'achat garanties. Les méthodes sont reproduites telles qu'identifiées dans sa fiche technique 370HR.
| Propriété | Exemple typique | Méthode ou condition | Pertinence pour la sélection |
|---|---|---|---|
| Tg | 180 °C | DSC ; IPC-TM-650 2.4.25C | Transition vitreuse |
| Td | 340 °C | TGA, 5% de perte de masse ; 2.4.24.6 | Décomposition |
| T260 / T288 | 60 / 30 minutes | Cuivre retiré ; TMA, 2.4.24.1 | Délaminage |
| CTE axe Z | 45 / 230 ppm/°C | En dessous / au-dessus de Tg ; 2.4.24C | Dilatation en épaisseur |
| Dk / Df | 4.17 / 0.0161 | 1 GHz ; 2.5.5.9 | Modélisation électrique |
| Conductivité thermique | 0,4 W/(m·K) | ASTM E1952 ; axe non spécifié | Flux thermique |
| Rigidité diélectrique | 54 kV/mm | 5.6.2A | Contrôle d'isolation |
| L'absorption d'humidité | 0.15% | 6.2.1A | Réponse à l'humidité |
| Résistance à la flexion | 620 / 531 MPa | Sens longitudinal / transversal ; 2.4.4B | Résistance mécanique |
Dk et Df sont sans dimension. Une valeur sans direction identifiée ne doit pas être attribuée à tous les axes dans une simulation.
Valeurs typiques des fiches techniques vs exigences d'achat
Une valeur typique décrit la performance rapportée du matériau. Une exigence d'achat définit ce qui doit être accepté ou rejeté.
Pour les propriétés critiques, convenez de la limite, de la méthode, du conditionnement et des preuves requises. Demandez si la conformité est démontrée par la qualification du matériau, un certificat ou des essais spécifiés. Ne supposez pas que chaque propriété d'une fiche technique est mesurée sur chaque PCB livré.
De même, ne transformez pas une valeur typique en minimum simplement en la copiant dans un plan. Confirmez que le fournisseur peut soutenir l'exigence d'acceptation proposée.
Pourquoi le FR-4 n'a pas un ensemble fixe de propriétés
Systèmes de résine, renfort en verre, cœur et préimprégné
Le FR-4 combine un renfort en verre tissé avec un système de résine époxy. La formulation de la résine, le style de verre et la proportion résine/verre affectent le matériau résultant. La feuille de cuivre est une partie distincte de la construction plaquée cuivre.
Dans la fabrication multicouche, un cœur est un stratifié durci, couramment fourni avec un placage cuivre. Préimprégné (Prepreg) contient de la résine partiellement durcie et un renfort ; il lie les couches lors de la stratification. Spécifiez la construction diélectrique finie requise par la conception, plutôt que de traiter une feuille de préimprégné non durcie comme une couche finie.
Les recommandations d'Isola en matière de sélection de matériaux identifient les caractéristiques de la résine, du renfort et de la feuille de cuivre comme contribuant aux performances électriques. Un choix de stratifié doit donc être considéré conjointement avec son empilage. Recommandations d'Isola en matière de sélection de matériaux.
Désignations des matériaux, spécifications IPC et classifications UL
Ces étiquettes répondent à différentes questions :
- FR-4 : Identifie la classe de matériau.
- Désignation du fabricant et du produit : Identifie le système de stratifié particulier.
- Fiche de spécification IPC-4101 : Identifie les exigences applicables relatives aux matériaux de base lorsqu'elles sont spécifiées.
- Classification UL 94 : Décrit les performances dans un essai d'inflammabilité.
L'IPC-4101 traite des matériaux de base pour les cartes imprimées rigides et multicouches, y compris les exigences de construction et de propriétés. Spécifiez la révision applicable et la fiche de spécification lorsque le projet l'exige. Portée et contenu de l'IPC-4101.
Vérifiez la classification d'inflammabilité requise pour le matériau et la construction sélectionnés. Une classification d'inflammabilité n'établit pas une température de fonctionnement continue ; l'UL traite l'inflammabilité et l'évaluation thermique à long terme séparément. Essais des matériaux UL.
Propriétés électriques : Dk, Df et performance d'isolation
Choisir les données Dk et Df pour votre fréquence et votre empilage
Constante diélectrique, ou permittivité relative, influence la capacitance, le retard de propagation et l'impédance de la ligne de transmission. Facteur de dissipation, aussi appelé tangente de perte, décrit la perte diélectrique.
Pour la comparaison des matériaux, faites correspondre la fréquence, la méthode d'essai et la construction. Pour la conception, demandez quelles données ou quel modèle Dk/Df le fournisseur recommande sur la plage de fréquences pertinente.
La permittivité effective d'une ligne de transmission dépend de l'endroit où ses champs se propagent. Par exemple, les champs d'une microstrip de surface occupent à la fois le substrat et la région au-dessus. Son modèle doit tenir compte de la géométrie ainsi que du Dk global du stratifié.
Le Df seul ne peut pas prédire la perte totale du canal. La perte du conducteur, la rugosité du cuivre et les discontinuités d'impédance y contribuent également. Par conséquent, il n'existe pas de fréquence universelle utile à laquelle chaque construction FR-4 devient inadaptée. Évaluez la longueur du canal et le budget de perte. Analyse des lignes de transmission et des pertes d'Isola.
Avant de router les nets critiques, convenez de la construction, des épaisseurs diélectriques finies, du cuivre, du modèle électrique et des cibles d'impédance. Voir le guide de conception PCB à impédance contrôlée pour le flux de travail d'empilage plus large.
Rigidité diélectrique, résistivité et CTI
Ces propriétés décrivent différents comportements d'isolation :
- Rigidité diélectrique : Tension de claquage par unité d'épaisseur dans des conditions d'essai spécifiées.
- Résistivité volumique et surfacique : Résistance à la conduction à travers le matériau ou le long de sa surface.
- Indice de cheminement comparatif, ou CTI : Résistance relative à la formation de pistes conductrices à travers une surface isolante dans les conditions d'essai.
L'IPC fournit des méthodes distinctes pour la rigidité électrique et résistivité volumique/de surface. UL décrit le CTI comme une évaluation distincte de la résistance au cheminement.
Ne multipliez pas une valeur de claquage d'une fiche technique par l'épaisseur de la carte et ne traitez pas le résultat comme une tension de service approuvée. Établissez les exigences d'isolation au niveau du produit, y compris les exigences applicables d'espacement, d'environnement et de vérification.
Propriétés thermiques : Tg, Td, dilatation et flux thermique
Tg, décomposition, temps de délaminage et classifications de température à long terme
La Tg décrit la région de transition vitreuse, où la rigidité et le comportement de dilatation de la résine changent. Ce n'est ni un point de fusion ni une classification complète de température de service. La DSC mesure la transition par le comportement de capacité thermique, tandis que la TMA examine la réponse dimensionnelle. Préservez la méthode lors de la comparaison des résultats. Méthode DSC de l'IPC, Méthode TMA de l'IPC.
La Td concerne la décomposition thermique. Le critère de perte de masse est important : la méthode TGA de l'IPC rapporte les températures à 2 % et 5 % de perte. Comparer la valeur de 2 % d'un matériau avec la valeur de 5 % d'un autre peut induire en erreur. Méthode de température de décomposition de l'IPC.
T260 et T288 décrivent le temps jusqu'au délaminage à la température d'essai spécifiée. La préparation des éprouvettes et l'état du cuivre sont importants. Ces mesures n'indiquent pas combien de passages au refoulement un assemblage fini peut tolérer. Méthode de temps jusqu'au délaminage de l'IPC.
L'indice thermique relatif, ou RTI, traite du vieillissement thermique à long terme. Il doit être considéré dans le cadre de ses conditions de reconnaissance et de l'évaluation complète du produit. Le travail de vieillissement thermique d'UL est distinct de la caractérisation thermique à court terme. Évaluation thermique UL.
La tâche pratique consiste à examiner ensemble la température de service prévue, le profil de brasage, l'exposition au retraitement et les exigences de fiabilité. Une valeur de Tg élevée seule ne peut pas trancher cet examen.
CTE en axes X/Y et Z en dessous et au-dessus de la Tg
Le coefficient de dilatation thermique décrit la variation dimensionnelle en fonction de la température. Les axes X et Y se situent dans le plan de la carte ; l'axe Z traverse son épaisseur.
Demandez la direction et l'intervalle de température associés à chaque valeur de CTE. Un coefficient en dessous de la Tg ne peut pas représenter une excursion complète qui traverse la transition. Distinguez également un coefficient en ppm/°C d'une dilatation totale exprimée en pourcentage sur un intervalle donné. Méthode de dilatation thermique de l'IPC.
Pour l'examen de la fiabilité des vias, incluez la dilatation en épaisseur du stratifié aux côtés de l'épaisseur de la carte, de la géométrie des trous, du placage et des cycles thermiques prévus. Le CTE est une donnée d'entrée de cette évaluation, et non une garantie de fiabilité autonome.
Conductivité thermique et trajet thermique complet de la carte
La conductivité thermique décrit le transport de chaleur. Elle répond à une question différente de celle de savoir si une résine tolère une exposition thermique.
Lorsqu'un composant fonctionne trop chaud, examinez l'ensemble de son trajet de refroidissement : fixation à la carte, diffusion du cuivre, vias thermiques, interfaces, flux d'air et tout dissipateur thermique. Augmenter la Tg seule n'établit pas une amélioration de l'évacuation de la chaleur.
Pour la simulation, utilisez des données de matériau adaptées à la direction et représentez le cuivre séparément. Évitez d'appliquer une seule valeur de conductivité de stratifié à une carte multicouche finie contenant du cuivre gravé et des vias.
Propriétés mécaniques et humidité : ce qu'il faut vérifier d'autre
Pour les cartes soumises à des charges mécaniques, distinguez la résistance de la rigidité. La résistance concerne la rupture sous charge ; le module décrit la résistance à la déformation. L'épaisseur de la carte, les emplacements de support et les charges de montage doivent également entrer dans l'évaluation mécanique.
Préservez la direction d'essai lors de la comparaison de stratifiés renforcés. La méthode de résistance à la flexion de l'IPC exige explicitement des éprouvettes dans le sens longitudinal et transversal. L'adhérence du cuivre doit être examinée séparément lorsque les contraintes de traitement ou de retraitement importent. Méthode de résistance à la flexion de l'IPC.
L'absorption d'humidité dépend également de la méthode. La méthode d'absorption d'eau référencée dans le tableau d'exemple mesure le gain de masse après conditionnement et une immersion spécifiée de 24 heures. Ce résultat ne décrit pas toutes les expositions à l'humidité et ne prouve pas la fiabilité électrique d'une carte finie. Méthode d'absorption d'eau de l'IPC.
Pour les applications humides et sous polarisation électrique, demandez des preuves pertinentes de fiabilité de l'isolation en plus des données d'absorption. Confirmez les exigences de stockage et de manipulation avant assemblage avec le fabricant.
Exemple concret : lire une fiche technique FR-4
Identifiez le produit, la révision, la construction et les conditions d'essai
Scénario hypothétique : Une équipe développe un contrôleur six couches avec des signaux à impédance contrôlée. Deux constructions de cœur proposées portent le même nom de produit stratifié et la même épaisseur nominale. Les achats demandent si elles sont interchangeables.
L'ingénieur consigne les révisions des documents : la fiche technique du produit 370HR identifie la révision E, tandis que les tableaux de construction séparés identifient la révision C, datée du 16 mars 2020. Chaque valeur numérique reste attachée à sa propre source.
À un point de comparaison commun de 1 GHz, les tableaux de construction indiquent :
| Construction de cœur 370HR | Teneur en résine | Épaisseur nominale | Dk | Df |
|---|---|---|---|---|
| 1 × verre 2116 | 47% | 0,102 mm | 4.26 | 0.018 |
| 1 × 106 + 1 × 1080 verre | 60% | 0,102 mm | 4.00 | 0.021 |
Il s'agit de données de référence publiées, et non de limites d'acceptation. Le tableau autonome n'identifie pas de méthode d'essai pour ces entrées. Tableaux de construction Isola 370HR.
Déterminer quelles valeurs peuvent être comparées ou utilisées dans la conception
La comparaison montre que la correspondance du nom de produit et de l'épaisseur nominale n'établit pas un comportement électrique identique.
La réponse d'ingénierie consiste à :
- Confirmer quelle construction est réellement proposée et obtenir les données actuelles applicables.
- S'accorder sur le modèle et les dimensions finies avec le fabricant.
- Recalculer l'impédance et les performances du canal avant d'approuver le changement.
- Enregistrer la construction approuvée et les conditions de substitution.
Ni le tableau au niveau du produit ni cette comparaison ne fournissent suffisamment d'informations pour prédire l'impédance finie à eux seuls. L'exemple ne démontre pas non plus qu'une construction est universellement meilleure : la sélection dépend du circuit et de l'empilage.
Comment sélectionner un stratifié et évaluer une alternative
Commencez par l'exigence de conception limitante. Le tableau suivant est un cadre d'évaluation pratique, plutôt qu'une recommandation universelle de matériau.
| Préoccupation principale | Preuves à demander | Décision à prendre |
|---|---|---|
| Impédance ou retard de propagation | Modèle Dk spécifique à la construction et empilage fini | Confirmer la géométrie des pistes et les tolérances |
| Perte de canal | Df sur la bande pertinente, profil du cuivre, analyse du canal | Conserver le stratifié proposé ou évaluer des options à moindre perte |
| Assemblage et cyclage thermique | Méthode Tg, critère Td, expansion, données de délamination, qualification pertinente | Confirmer l'adéquation aux expositions thermiques prévues |
| Évacuation de la chaleur | Conductivité directionnelle et modèle thermique complet | Améliorer le chemin thermique ou évaluer une autre construction |
| Isolation et humidité | Propriétés électriques requises et preuves environnementales pertinentes | Confirmer les exigences d'isolation au niveau du produit |
| Coût et continuité d'approvisionnement | Matériau proposé, disponibilité de la construction, délai de livraison, documentation alternative | Approuver une stratégie d'approvisionnement documentée |
Pour des alternatives plus larges, consultez le guide de sélection des matériaux PCB .
Lors de l'évaluation d'un substitut, distinguez la correspondance à une spécification de la préservation d'une conception validée. Le fait de satisfaire à la même exigence minimale n'établit pas un comportement électrique identique ni une réponse de fabrication identique.
Demandez une comparaison par rapport aux propriétés qui importent pour votre carte. Documentez les changements de construction, de cuivre, de méthodes et de statut de reconnaissance le cas échéant, puis décidez si l'analyse ou la qualification doit être répétée. Les achats doivent recevoir une disposition claire : approuvé, approuvé avec conditions, ou rejeté.
Que inclure dans votre demande de PCB FR-4
Une demande efficace combine les fichiers de fabrication avec les exigences d'exploitation que ces fichiers ne peuvent pas communiquer.
- Application et environnement : Fonction, températures prévues de la carte, humidité, contrainte de tension et attentes de durée de vie.
- Exposition à l'assemblage : Processus de brasage prévus, profils disponibles et retouches anticipées.
- Construction de la carte : Nombre de couches, épaisseur finie et tolérance, exigences de cuivre et empilage proposé.
- Objectifs électriques : Valeurs d'impédance et tolérances, plage de fréquences pertinente, longueurs de canaux critiques et limites de perte ou de retard.
- Exigences relatives aux matériaux : Fabricant/produit obligatoire, spécification et révision applicables, ou critères de performance mesurables lorsque le choix du matériau est ouvert.
- Acceptation et documentation : Limites de propriétés requises, méthodes, conditionnement, certificats, traçabilité et tout rapport d'essai convenu.
- Politique de substitution : Si des alternatives sont autorisées et qui doit les approuver.
- Exigences commerciales : Quantités de prototype et de production, objectif de livraison et besoins de continuité.
Lorsque le matériau exact n'est pas encore déterminé, demandez au fournisseur d'identifier le stratifié et la construction proposés et d'expliquer comment ils répondent aux exigences énoncées.
Pour les travaux sensibles aux performances, une formulation de demande utile est :
Veuillez identifier le fabricant de stratifié proposé, le produit, les constructions de cœur et de préimprégné, ainsi que les révisions des fiches techniques à l'appui. Indiquez tout écart par rapport aux exigences fournies. Obtenez une approbation d'ingénierie écrite avant de modifier le matériau ou la construction approuvés.
L'objectif est une spécification de matériau convenue liée à la conception réelle du PCB. Envoyez votre empilage, vos fichiers de fabrication et vos exigences d'exploitation avec votre demande de PCB FR-4 à LEADHUI PCB.
