Das am häufigsten verwendete PCB-Laminat in der Elektronik industrie. Verstehen Sie FR-4-Dielektrizitätseigenschaften, Glasgewebeeffekte und wann auf Spezialmaterialien für Hochgeschwindigkeitsdesigns gewechselt werden sollte.
FR-4 (Flammschutzmittel 4) ist ein Epoxid-Glas-Laminat, das die Grundlage von über 90% aller weltweit hergestellten Leiterplatten bildet. Es besteht aus gewebtem Glasfasergewebe, das mit bromiertem Epoxidharz imprägniert ist.
Die Bezeichnung "FR" zeigt an, dass es die Flammschutznorm UL 94 V-0 erfüllt. FR-4 bietet ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften zu niedrigen Kosten und ist daher die Standardwahl für die meisten Anwendungen.
Die inkonsistenten dielektrischen Eigenschaften und der relativ hohe Verlustfaktor von FR-4 machen es jedoch weniger geeignet für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Digitalanwendungen, bei denen spezielle Laminate eine bessere Leistung bieten.
Gewebter Stoff bietet mechanische Festigkeit. Dk ≈ 6,2
Füllt Lücken und verbindet Schichten. Dk ≈ 3,2. Höherer Harzgehalt = niedrigeres Gesamt-Dk.
Typischerweise Bromverbindungen. Erhöht Df (Verlust).
Verschiedene Glasgewebestile haben unterschiedlichen Harzgehalt, der die Dielektrizitätskonstante direkt beeinflusst. Dies zu verstehen ist entscheidend für eine genaue Impedanzvorhersage.
| Glasstil | Dicke | Harzgehalt | Typisches Dk | Häufige Verwendung |
|---|---|---|---|---|
| 106 | 1.3 mil | ~75% | 3.6-3.8 | Sehr dünnes Prepreg, Füllung |
| 1080 | 2.8 mil | ~65% | 3.8-4.0 | Standard dünnes Prepreg |
| 2116 | 4.5 mil | ~52% | 4.0-4.2 | Am häufigsten, gute Füllung |
| 1506 | 5.5 mil | ~50% | 4.1-4.3 | Mittlere Dicke |
| 7628 | 7.0 mil | ~42% | 4.3-4.5 | Dick, steifes Prepreg |
Die Glasbündel und Harztaschen erzeugen lokalisierte Dk-Variationen von ±10%. Bei Differentialpaaren verursacht dies Intra-Paar-Versatz. Abhilfe: Leiterbahnen in Winkeln zum Gewebe verlegen, Spread-Glass-Laminate verwenden oder harzreiche Prepregs spezifizieren.
FR-4 gibt es in verschiedenen Klassen mit unterschiedlichen thermischen und elektrischen Eigenschaften. Wählen Sie basierend auf Ihrem Montageprozess und Ihrer Betriebsumgebung.
| Klasse | Tg | Td | Dk | Df | Kosten | Anwendung |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Standard FR-4 | 130-140°C | 310°C | 4.3-4.5 | 0.020-0.025 | $ | Allzweck, niedrige Geschwindigkeit |
| Mittel-Tg FR-4 | 150-160°C | 330°C | 4.2-4.4 | 0.018-0.022 | $ | Bleifrei-kompatibel |
| Hoch-Tg FR-4 | 170-180°C | 340°C | 4.1-4.3 | 0.016-0.020 | $$ | Automobil, Industrie |
| FR-4 IT180A | 180°C | 350°C | 4.0-4.2 | 0.015-0.018 | $$ | Hohe Zuverlässigkeit |
Unterhaltungselektronik, IoT-Geräte, einfache Controller
GPIO, SPI, I2C, UART, Standardbusse
Volumenproduktion, bei der Materialkosten wichtig sind
Sub-GHz-Funk, GPS L1, grundlegende HF
Verwenden Sie Materialien mit mittlerem Verlust (Df <0,01) für USB 3.0, PCIe Gen3+
Rogers, Taconic für Frequenzen >10 GHz
FR-4 Dk-Variation kann ±10% überschreiten
Hoher Df verursacht übermäßige Einfügedämpfung
Verwenden Sie nicht den "4,5"-Standardwert. Fragen Sie Ihren Hersteller nach dem tatsächlichen Dk bei Ihrer Frequenz. Typische Werte: 4,0-4,2 bei 1 GHz für mittelharzige Prepregs.
Für konsistente Impedanz spezifizieren Sie den Glasstil (z. B. "2 × 2116" oder "1 × 1080 + 1 × 2116"). Verschiedene Kombinationen haben unterschiedliche Dk-Werte.
Für bleifreie Montage (260°C Reflow) verwenden Sie Tg ≥ 170°C. Standard-Tg kann Z-Achsen-Ausdehnung und Barrel-Risse verursachen.
Für Differentialpaare >3 Gbps spezifizieren Sie Spread-Glass oder NE-Glass, um Intra-Paar-Versatz durch Fasergewebeeffekt zu reduzieren.
Verwenden Sie Standard-FR-4 für Innenlagen, bei denen die Geschwindigkeit keine Rolle spielt, und aktualisieren Sie nur Hochgeschwindigkeitssignallagen bei Bedarf (Hybrid-Stackup).
Holen Sie vor der Produktion immer den Impedanzbericht des Herstellers ein. Sie haben präzise Dk/Df-Werte für ihre spezifischen Materialien.
Der Dk-Wert von FR-4 variiert von 3,8 bis 4,8 abhängig von Harzgehalt, Glasstil und Messfrequenz. Harzreiche Prepregs (106, 1080) haben niedrigere Dk-Werte (~3,8-4,0), während glasreiche Stile (7628) höhere Dk-Werte (~4,3-4,5) aufweisen. Die meisten CAD-Tools verwenden 4,0-4,2 als 'typischen' Wert, aber holen Sie immer spezifische Werte von Ihrem Hersteller ein.
Der Dk-Wert von FR-4 nimmt mit zunehmender Frequenz leicht ab (Dispersion). Bei 1 MHz könnte er 4,5 messen, aber bei 1 GHz liegt er typischerweise bei 4,0-4,2, und bei 10 GHz bei etwa 3,9-4,0. Dies geschieht, weil Polarisationsmechanismen bei höheren Frequenzen nicht mithalten können. Für Designs über 1 GHz verwenden Sie frequenzgerechte Dk-Werte.
Der Glasgewebeeffekt tritt auf, weil Glasfaser (Dk ≈ 6,2) und Epoxidharz (Dk ≈ 3,2) unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten haben. Eine Leiterbahn parallel zu Glasbündeln sieht einen anderen Dk-Wert als eine, die sie kreuzt, was zu bis zu ±5% Impedanzvariation und Intra-Paar-Versatz bei differentiellen Signalen führt. Abhilfe: Leiterbahnen schräg verlegen, Spread-Glas verwenden oder höheren Harzgehalt.
Verwenden Sie Hochtemperatur-FR-4 (170°C+) für: bleifreies Löten (Spitzentemperaturen bis 260°C), mehrere Reflow-Zyklen, hohe Betriebstemperaturen oder wenn die Z-Achsen-Ausdehnung während des Reflows beschichtete Löcher beschädigen könnte. Standard-Tg (130°C) ist geeignet für bleihaltige Lötung und Raumtemperaturbetrieb.
FR-4 funktioniert gut bis etwa 3 Gbps. Darüber hinaus verursacht der hohe Df (0,020) eine signifikante Signaldämpfung. Für 5-10 Gbps ziehen Sie mittelverlustarme Materialien (Df ~0,010) in Betracht. Für 10-28 Gbps verwenden Sie niedrigverlustarme Laminate (Df <0,005). FR-4 hat auch einen inkonsistenten Dk-Wert, der bei empfindlichen Designs zu Impedanzvariationen führt.