El laminado de PCB más utilizado en la industria electrónica. Comprenda las propiedades dieléctricas del FR-4, los efectos del tejido de vidrio y cuándo actualizar a materiales especializados para diseños de alta velocidad.
FR-4 (Retardante de llama 4) es un laminado de vidrio epoxi que forma la base de más del 90% de todos los PCB fabricados en todo el mundo. Consiste en tela de fibra de vidrio tejida impregnada con resina epoxi bromada.
La designación "FR" indica que cumple con los requisitos de retardo de llama UL 94 V-0. El FR-4 ofrece un excelente equilibrio de propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas a bajo costo, lo que lo convierte en la opción predeterminada para la mayoría de las aplicaciones.
Sin embargo, las propiedades dieléctricas inconsistentes y la tangente de pérdida relativamente alta del FR-4 lo hacen menos adecuado para aplicaciones de alta frecuencia y digitales de alta velocidad, donde los laminados especializados proporcionan un mejor rendimiento.
El tejido tejido proporciona resistencia mecánica. Dk ≈ 6,2
Llena los espacios y une las capas. Dk ≈ 3,2. Mayor resina = menor Dk general.
Típicamente compuestos de bromo. Aumenta el Df (pérdida).
Los diferentes estilos de tejido de vidrio tienen un contenido de resina variable, lo que afecta directamente la constante dieléctrica. Comprender esto es crucial para una predicción precisa de la impedancia.
| Estilo de vidrio | Espesor | Contenido de resina | Dk típico | Uso común |
|---|---|---|---|---|
| 106 | 1.3 mil | ~75% | 3.6-3.8 | Prepreg muy fino, relleno |
| 1080 | 2.8 mil | ~65% | 3.8-4.0 | Prepreg fino estándar |
| 2116 | 4.5 mil | ~52% | 4.0-4.2 | Más común, buen relleno |
| 1506 | 5.5 mil | ~50% | 4.1-4.3 | Espesor medio |
| 7628 | 7.0 mil | ~42% | 4.3-4.5 | Grueso, prepreg rígido |
The glass bundles and resin pockets create localized Dk variations of ±10%. For differential pairs, this causes intra-pair skew. Mitigate by: routing traces at angles to the weave, using spread-glass laminates, or specifying high-resin prepregs.
El FR-4 viene en diferentes grados con propiedades térmicas y eléctricas variables. Elija según su proceso de ensamblaje y entorno operativo.
| Grado | Tg | Td | Dk | Df | Costo | Aplicación |
|---|---|---|---|---|---|---|
| FR-4 estándar | 130-140°C | 310°C | 4.3-4.5 | 0.020-0.025 | $ | Propósito general, baja velocidad |
| FR-4 Tg medio | 150-160°C | 330°C | 4.2-4.4 | 0.018-0.022 | $ | Compatible sin plomo |
| FR-4 Tg alto | 170-180°C | 340°C | 4.1-4.3 | 0.016-0.020 | $$ | Automotriz, industrial |
| FR-4 IT180A | 180°C | 350°C | 4.0-4.2 | 0.015-0.018 | $$ | Alta fiabilidad |
Electrónica de consumo, dispositivos IoT, controladores simples
GPIO, SPI, I2C, UART, buses estándar
Producción en volumen donde el costo del material importa
Inalámbrico sub-GHz, GPS L1, RF básico
Use materiales de pérdida media (Df <0.01) para USB 3.0, PCIe Gen3+
Rogers, Taconic para frecuencias >10 GHz
La variación de Dk del FR-4 puede exceder ±10%
El alto Df causa una pérdida de inserción excesiva
No use el valor predeterminado "4.5". Pregunte a su fabricante el Dk real a su frecuencia. Valores típicos: 4.0-4.2 a 1 GHz para preimpregnados de resina media.
Para una impedancia consistente, especifique el estilo de vidrio (por ejemplo, "2 × 2116" o "1 × 1080 + 1 × 2116"). Diferentes combinaciones tienen diferentes Dk.
Para ensamblaje sin plomo (reflujo a 260°C), use Tg ≥ 170°C. El Tg estándar puede causar expansión del eje z y agrietamiento del barril.
Para pares diferenciales >3 Gbps, especifique vidrio disperso o vidrio NE para reducir el sesgo dentro del par debido al efecto de tejido de fibra.
Use FR-4 estándar para capas internas donde la velocidad no importa, y actualice solo las capas de señal de alta velocidad si es necesario (apilamiento híbrido).
Siempre obtenga el informe de impedancia del fabricante antes de la producción. Tienen Dk/Df precisos para sus materiales específicos.
El Dk del FR-4 varía de 3.8 a 4.8 dependiendo del contenido de resina, estilo de vidrio y frecuencia de medición. Los prepregs ricos en resina (106, 1080) tienen un Dk más bajo (~3.8-4.0), mientras que los estilos ricos en vidrio (7628) tienen un Dk más alto (~4.3-4.5). La mayoría de las herramientas CAD usan 4.0-4.2 como valor 'típico', pero siempre obtenga valores específicos de su fabricante.
El Dk del FR-4 disminuye ligeramente a medida que aumenta la frecuencia (dispersión). A 1 MHz puede medir 4.5, pero a 1 GHz típicamente es 4.0-4.2, y a 10 GHz alrededor de 3.9-4.0. Esto ocurre porque los mecanismos de polarización no pueden seguir el ritmo a frecuencias más altas. Para diseños por encima de 1 GHz, use valores de Dk apropiados para la frecuencia.
El efecto de tejido de vidrio ocurre porque la fibra de vidrio (Dk ≈ 6.2) y la resina epoxi (Dk ≈ 3.2) tienen diferentes constantes dieléctricas. Una traza que corre paralela a los haces de vidrio ve un Dk diferente al de una que los cruza, causando hasta ±5% de variación de impedancia y sesgo intra-par en señales diferenciales. Mitigación: inclinar las trazas, usar vidrio disperso o mayor contenido de resina.
Use FR-4 de alta Tg (170°C+) para: soldadura sin plomo (temperaturas pico hasta 260°C), múltiples ciclos de reflujo, altas temperaturas de operación, o cuando la expansión del eje z durante el reflujo podría dañar los orificios metalizados. La Tg estándar (130°C) es adecuada para soldadura con plomo y operación a temperatura ambiente.
El FR-4 funciona bien hasta aproximadamente 3 Gbps. Más allá de eso, el alto Df (0.020) causa una atenuación significativa de la señal. Para 5-10 Gbps, considere materiales de pérdida media (Df ~0.010). Para 10-28 Gbps, use laminados de baja pérdida (Df <0.005). El FR-4 también tiene un Dk inconsistente que causa variación de impedancia en diseños sensibles.