Наиболее важные свойства материала FR-4 зависят от того, чему должна противостоять ваша печатная плата: электрическим сигналам, теплу при сборке, рабочим температурам, напряжению, влажности и механическим нагрузкам. Начните с диэлектрической проницаемости и потерь, теплового расширения и стабильности, изоляционных характеристик и механических требований.
FR-4 — это класс огнестойкого стеклоармированного эпоксидного материала. Он не обозначает одну фиксированную рецептуру или набор числовых свойств. Выберите конкретный ламинат и оцените его данные в условиях, relevant для вашего проекта.
Это руководство объясняет, как интерпретировать эти свойства, сравнивать варианты конструкций и предоставлять вашему поставщику печатных плат требования, которые смогут использовать как инженеры, так и закупщики.
Ключевые выводы
- Фиксируйте продукт-ламинат, конструкцию, частоту, температуру и метод испытаний, стоящие за важными значениями.
- Оценивайте Tg наряду с данными о разложении, расширении, расслоении и долговременной термической стабильности.
- Используйте электрические данные для конкретной конструкции при разработке стек-апа; обобщённое значение Dk для FR-4 недостаточно для выпуска.
- Определите требования к приёмке и утверждение заменителей до размещения заказа.
Свойства материала FR-4: краткий обзор
Справочная таблица со значениями, единицами измерения и условиями испытаний
Приведённые ниже примеры — это опубликованные типовые значения для Isola 370HR, а не универсальные пределы FR-4 или гарантированные спецификации закупки. Методы воспроизведены в соответствии с указанными в его техническом описании 370HR.
| Недвижимость | Типовой пример | Метод или условие | Значимость для выбора |
|---|---|---|---|
| Tg | 180 °C | ДСК; IPC-TM-650 2.4.25C | Температура стеклования |
| Td | 340 °C | TGA, потеря массы 5%; 2.4.24.6 | Разложение |
| T260 / T288 | 60 / 30 минут | Медь удалена; TMA, 2.4.24.1 | Расслоение |
| CTE по оси Z | 45 / 230 ppm/°C | Ниже / выше Tg; 2.4.24C | Расширение по толщине |
| Dk / Df | 4.17 / 0.0161 | 1 ГГц; 2.5.5.9 | Электрическое моделирование |
| Теплопроводность | 0,4 Вт/(м·К) | ASTM E1952; ось не указана | Тепловой поток |
| Электрическая прочность | 54 кВ/мм | 5.6.2A | Проверка изоляции |
| Поглощение влаги | 0.15% | 6.2.1A | Реакция на влажность |
| Прочность при изгибе | 620 / 531 МПа | Вдоль / поперёк; 2.4.4B | Механическая прочность |
Dk и Df — безразмерные величины. Значение без указанного направления не следует присваивать всем осям в симуляции.
Типовые значения из технического описания vs. требования закупки
Типовое значение описывает заявленные характеристики материала. Требование закупки определяет, что должно быть принято или отклонено.
Для критических свойств согласуйте предел, метод, условия и требуемые доказательства. Уточните, подтверждается ли соответствие через квалификацию материала, сертификат или указанные испытания. Не предполагайте, что каждое свойство из datasheet измеряется на каждой поставленной печатной плате.
Аналогично, не превращайте типовое значение в минимальное, просто скопировав его в чертёж. Убедитесь, что поставщик может обеспечить предлагаемое приёмочное требование.
Почему FR-4 не имеет одного фиксированного набора свойств
Смоляные системы, стеклянное армирование, сердечник и препрег
FR-4 сочетает тканое стеклянное армирование с эпоксидной смоляной системой. Рецептура смолы, тип стеклоткани и соотношение смолы и стекла влияют на получаемый материал. Медная фольга является отдельной частью конструкции с медным покрытием.
При изготовлении многослойных плат сердечник представляет собой отверждённый ламинат, обычно поставляемый с медным покрытием. Препрег содержит частично отверждённую смолу и армирование; он соединяет слои во время ламинирования. Указывайте готовую диэлектрическую конструкцию, необходимую для проекта, а не рассматривайте неотверждённый лист препрега как готовый слой.
Руководство Isola по выбору материалов определяет характеристики смолы, армирования и медной фольги как факторы, влияющие на электрические характеристики. Поэтому выбор ламината необходимо рассматривать вместе с его стеком. Руководство Isola по выбору материалов.
Обозначения материалов, спецификации IPC и рейтинги UL
Эти обозначения отвечают на разные вопросы:
- FR-4: Определяет класс материала.
- Обозначение производителя и продукта: Определяет конкретную ламинатную систему.
- Лист спецификации IPC-4101: Определяет применимые требования к базовому материалу, когда это указано.
- Рейтинг UL 94: Описывает поведение при испытании на flammability.
IPC-4101 рассматривает базовые материалы для жёстких и многослойных печатных плат, включая требования к конструкции и свойствам. Указывайте применимую редакцию и лист спецификации, когда это требуется проектом. Область применения и содержание IPC-4101.
Проверьте требуемый рейтинг flammability для выбранного материала и конструкции. Классификация по flammability не устанавливает непрерывную рабочую температуру; UL рассматривает flammability и долгосрочную термическую оценку отдельно. Испытания материалов UL.
Электрические свойства: Dk, Df и характеристики изоляции
Выбор данных Dk и Df для вашей частоты и стека
Диэлектрическая проницаемость, или относительная диэлектрическая проницаемость, влияет на ёмкость, задержку распространения и импеданс линии передачи. Тангенс угла диэлектрических потерь, также называемый loss tangent, описывает диэлектрические потери.
Для сравнения материалов сопоставляйте частоту, метод испытаний и конструкцию. Для проектирования уточните, какие данные или модель Dk/Df рекомендует поставщик в соответствующем диапазоне частот.
Эффективная диэлектрическая проницаемость линии передачи зависит от того, где распространяются её поля. Например, поля поверхностной микрополосковой линии занимают как подложку, так и область над ней. Её модель должна учитывать геометрию, а также объёмную Dk ламината.
Только Df не может предсказать общие потери канала. Потери в проводнике, шероховатость меди и неоднородности импеданса также вносят вклад. Следовательно, не существует полезной универсальной частоты, при которой любая конструкция FR-4 становится непригодной. Оценивайте длину канала и бюджет потерь. Анализ линий передачи и потерь Isola.
Перед трассировкой критических цепей согласуйте конструкцию, толщины готового диэлектрика, медь, электрическую модель и целевые значения импеданса. См. руководство по проектированию печатных плат с контролируемым импедансом для более широкого рабочего процесса по стекy.
Электрическая прочность, удельное сопротивление и CTI
Эти свойства описывают различные виды поведения изоляции:
- Электрическая прочность: Пробивное напряжение на единицу толщины при указанных условиях испытаний.
- Объёмное и поверхностное удельное сопротивление: Сопротивление проводимости через материал или вдоль его поверхности.
- Сравнительный индекс трекингостойкости, или CTI: Относительная стойкость к образованию проводящих дорожек по поверхности изолятора в условиях испытаний.
IPC предоставляет отдельные методы для электрической прочности и удельное объемное/поверхностное сопротивление. UL описывает CTI как отдельную оценку трекингостойкость.
Не следует умножать значение пробивного напряжения из технических характеристик на толщину платы и считать полученный результат допустимым рабочим напряжением. Требования к изоляции устанавливаются на уровне изделия, включая применимые требования к зазорам, условиям окружающей среды и верификации.
Тепловые свойства: Tg, Td, расширение и тепловой поток
Tg, температура разложения, время до расслоения и долговременные температурные рейтинги
Tg описывает область стеклования, в которой жесткость и поведение смолы при расширении изменяются. Это не температура плавления и не полный рейтинг рабочей температуры. Метод DSC измеряет переход через поведение теплоемкости, тогда как TMA исследует размерный отклик. При сравнении результатов сохраняйте метод неизменным. Метод IPC DSC, Метод IPC TMA.
Td относится к термическому разложению. Критерий потери массы имеет значение: метод TGA по IPC указывает температуры как при 2%-ной, так и при 5%-ной потере. Сравнение значения 2% для одного материала со значением 5% для другого может ввести в заблуждение. Метод IPC для температуры разложения.
T260 и T288 описывают время до расслоения при указанной температуре испытания. Подготовка образца и состояние меди имеют значение. Эти измерения не указывают, сколько циклов оплавления может выдержать готовое изделие. Метод IPC для времени до расслоения.
Относительный термический индекс, или RTI, касается долговременного термического старения. Его следует рассматривать в рамках условий его признания и полной оценки изделия. Работа UL по термическому старению отличается от кратковременной термической характеристики. Термическая оценка UL.
Практическая задача — совместно рассмотреть ожидаемую рабочую температуру, профиль пайки, воздействие при переделке и требования к надежности. Одно лишь высокое значение Tg не может решить эту задачу.
КТР по осям X/Y и Z ниже и выше Tg
Коэффициент теплового расширения описывает размерное изменение с температурой. Оси X и Y лежат в плоскости платы; ось Z проходит через ее толщину.
Запрашивайте направление и температурный интервал, стоящие за каждым значением КТР. Коэффициент ниже Tg не может представлять весь диапазон, пересекающий переход. Также различайте коэффициент в ppm/°C и общее расширение, выраженное в процентах за указанный интервал. Метод IPC для теплового расширения.
Для оценки надежности переходных отверстий включайте расширение по толщине ламината наряду с толщиной платы, геометрией отверстия, гальваническим покрытием и ожидаемыми термическими циклами. КТР — лишь один из входных параметров этой оценки, а не самостоятельная гарантия надежности.
Теплопроводность и полный путь отвода тепла от платы
Теплопроводность описывает перенос тепла. Она отвечает на иной вопрос, нежели вопрос о том, выдерживает ли смола термическое воздействие.
Когда компонент работает слишком горячо, рассматривайте весь путь его охлаждения: крепление к плате, растекание тепла по меди, тепловые переходные отверстия, интерфейсы, воздушный поток и любой радиатор. Увеличение только Tg не обеспечивает улучшения отвода тепла.
Для моделирования используйте данные материала с учетом направления и представляйте медь отдельно. Избегайте применения одного значения теплопроводности ламината ко готовой многослойной плате с медным рисунком и переходными отверстиями.
Механические свойства и влага: что еще проверить
Для механически нагруженных плат различайте прочность и жесткость. Прочность касается разрушения под нагрузкой; модуль описывает сопротивление деформации. Толщина платы, места опор и монтажные нагрузки также должны входить в механическую оценку.
Сохраняйте направление испытания при сравнении армированных ламинатов. Метод IPC для прочности при изгибе явно требует образцов в продольном и поперечном направлениях. Адгезию меди следует рассматривать отдельно, когда важны напряжения при обработке или переделке. Метод IPC для прочности при изгибе.
Влагопоглощение также зависит от метода. Метод водопоглощения, указанный в примере таблицы, измеряет прирост массы после кондиционирования и заданного 24-часового погружения. Этот результат не описывает любое воздействие влажности и не доказывает электрическую надежность готовой платы. Метод IPC для водопоглощения.
Для влажных условий с электрическим смещением запрашивайте соответствующие доказательства надежности изоляции в дополнение к данным по поглощению. Подтвердите требования к хранению и обращению перед сборкой у производителя.
Разобранный пример: чтение технических характеристик FR-4
Определите изделие, редакцию, конструкцию и условия испытаний
Гипотетический сценарий: Команда разрабатывает шестислойный контроллер с сигналами с контролируемым импедансом. Две предлагаемые конструкции сердечника имеют одинаковое название продукта-ламината и номинальную толщину. Отдел закупок спрашивает, взаимозаменяемы ли они.
Инженер фиксирует редакции документов: технические характеристики продукта 370HR указывают редакцию E, тогда как отдельные таблицы конструкций указывают редакцию C от 16 марта 2020 г. Каждое числовое значение остается привязанным к своему источнику.
В общей точке сравнения 1 ГГц таблицы конструкций сообщают:
| Конструкция сердечника 370HR | Содержание смолы | Номинальная толщина | Dk | Df |
|---|---|---|---|---|
| 1 × стекло 2116 | 47% | 0,102 мм | 4.26 | 0.018 |
| 1 × 106 + 1 × 1080 стекло | 60% | 0,102 мм | 4.00 | 0.021 |
Это опубликованные справочные данные, а не приёмочные пределы. Отдельная таблица не определяет метод испытаний для этих записей. Таблицы конструкций Isola 370HR.
Определите, какие значения можно сравнивать или использовать в проекте
Сравнение показывает, что совпадение названия продукта и номинальной толщины не обеспечивает идентичного электрического поведения.
Инженерный ответ заключается в следующем:
- Подтвердите, какая конструкция фактически предлагается, и получите применимые актуальные данные.
- Согласуйте модель и конечные размеры с производителем.
- Пересчитайте импеданс и характеристики канала перед утверждением изменения.
- Зафиксируйте утверждённую конструкцию и условия замены.
Ни таблица уровня продукта, ни это сравнение не дают достаточной информации для самостоятельного прогнозирования конечного импеданса. Пример также не демонстрирует, что одна конструкция универсально лучше: выбор зависит от схемы и стека.
Как выбрать ламинат и проверить альтернативу
Начните с ограничивающего требования проекта. Следующая таблица представляет собой практическую основу для проверки, а не универсальную рекомендацию материала.
| Основная проблема | Запрашиваемые доказательства | Решение, которое нужно принять |
|---|---|---|
| Импеданс или задержка распространения | Модель Dk для конкретной конструкции и конечный стек | Подтвердите геометрию дорожек и допуски |
| Потери в канале | Df в соответствующем диапазоне, профиль меди, анализ канала | Сохраните предлагаемый ламинат или оцените варианты с меньшими потерями |
| Сборка и термоциклирование | Метод Tg, критерий Td, расширение, данные о расслоении, соответствующая квалификация | Подтвердите пригодность для предполагаемых тепловых воздействий |
| Отвод тепла | Направленная проводимость и полная тепловая модель | Улучшите тепловой путь или оцените другую конструкцию |
| Изоляция и влажность | Требуемые электрические свойства и соответствующие экологические доказательства | Подтвердите требования к изоляции на уровне продукта |
| Стоимость и непрерывность поставок | Предлагаемый материал, доступность конструкции, срок поставки, документация по альтернативам | Утвердите документированную стратегию закупок |
Для более широких альтернатив обратитесь к руководству по выбору материалов для печатных плат .
При рассмотрении заменителя разделяйте соответствие спецификации и сохранение проверенной конструкции. Соответствие тому же минимальному требованию не обеспечивает идентичного электрического поведения или реакции на изготовление.
Запросите сравнение по свойствам, которые важны для вашей платы. Документируйте изменения в конструкции, меди, методах и статусе признания, где это relevant, затем решите, нужно ли повторять анализ или квалификацию. Закупки должны получить чёткое решение: одобрено, одобрено с условиями или отклонено.
Что включить в ваш запрос на FR-4 печатную плату
Эффективный запрос объединяет файлы изготовления с рабочими требованиями, которые эти файлы не могут передать.
- Применение и окружающая среда: Функция, ожидаемые температуры платы, влажность, напряжение и ожидаемый срок службы.
- Воздействие при сборке: Планируемые процессы пайки, доступные профили и предполагаемая переработка.
- Конструкция платы: Количество слоёв, конечная толщина и допуск, требования к меди и предлагаемый стек.
- Электрические параметры: Значения импеданса и допуски, соответствующий частотный диапазон, критические длины каналов, а также ограничения по потерям или задержке.
- Требования к материалу: Обязательный производитель/продукт, применимая спецификация и редакция или измеримые критерии производительности, если выбор материала открыт.
- Приемка и документация: Требуемые предельные значения свойств, методы, условия, сертификаты, прослеживаемость и любые согласованные протоколы испытаний.
- Политика замены: Разрешены ли альтернативы и кто должен их утверждать.
- Коммерческие требования: Количество прототипов и серийной продукции, целевой срок поставки и потребности в непрерывности поставок.
Если точный материал еще не определен, попросите поставщика указать предлагаемый ламинат и конструкцию и объяснить, как они соответствуют заявленным требованиям.
Для работ, чувствительных к производительности, полезная формулировка запроса:
Пожалуйста, укажите предлагаемого производителя ламината, продукт, конструкции core и prepreg, а также соответствующие редакции технических описаний. Укажите любые отклонения от предоставленных требований. Получите письменное инженерное одобрение перед изменением утвержденного материала или конструкции.
Цель — согласованная спецификация материала, связанная с фактическим дизайном PCB. Отправьте ваш стек, файлы производства и эксплуатационные требования вместе с вашим запросом на FR-4 PCB в LEADHUI PCB.
