Le stratifié PCB le plus utilisé dans l'industrie électronique. Comprendre les propriétés diélectriques du FR-4, les effets de tissage de verre, et quand passer à des matériaux spécialisés pour les conceptions haute vitesse.
FR-4 (Retardateur de Flamme 4) est un stratifié époxy-verre qui constitue la base de plus de 90% de tous les PCB fabriqués dans le monde. Il se compose de tissu de fibre de verre tissé imprégné de résine époxy bromée.
La désignation "FR" indique qu'il répond aux exigences de retard de flamme UL 94 V-0. Le FR-4 offre un excellent équilibre entre propriétés électriques, mécaniques et thermiques à faible coût, ce qui en fait le choix par défaut pour la plupart des applications.
Cependant, les propriétés diélectriques incohérentes et la tangente de perte relativement élevée du FR-4 le rendent moins adapté aux applications haute fréquence et numériques haute vitesse, où les stratifiés spécialisés offrent de meilleures performances.
Le tissu tissé fournit une résistance mécanique. Dk ≈ 6,2
Remplit les espaces et lie les couches. Dk ≈ 3,2. Plus de résine = Dk global plus faible.
Généralement des composés de brome. Augmente le Df (perte).
Différents styles de tissu de verre ont une teneur en résine variable, ce qui affecte directement la constante diélectrique. Comprendre cela est crucial pour une prédiction précise de l'impédance.
| Style de verre | Épaisseur | Teneur en résine | Dk typique | Usage courant |
|---|---|---|---|---|
| 106 | 1.3 mil | ~75% | 3.6-3.8 | Préimprégné très fin, remplissage |
| 1080 | 2.8 mil | ~65% | 3.8-4.0 | Préimprégné fin standard |
| 2116 | 4.5 mil | ~52% | 4.0-4.2 | Le plus courant, bon remplissage |
| 1506 | 5.5 mil | ~50% | 4.1-4.3 | Épaisseur moyenne |
| 7628 | 7.0 mil | ~42% | 4.3-4.5 | Épais, préimprégné rigide |
Les faisceaux de verre et les poches de résine créent des variations Dk localisées de ±10%. Pour les paires différentielles, cela provoque un décalage intra-paire. Atténuation : router les pistes en angle par rapport au tissage, utiliser des stratifiés à verre dispersé ou spécifier des préimprégnés à haute résine.
Le FR-4 existe en différents grades avec des propriétés thermiques et électriques variables. Choisissez en fonction de votre processus d'assemblage et de votre environnement d'exploitation.
| Grade | Tg | Td | Dk | Df | Coût | Application |
|---|---|---|---|---|---|---|
| FR-4 Standard | 130-140°C | 310°C | 4.3-4.5 | 0.020-0.025 | $ | Usage général, basse vitesse |
| FR-4 Tg Moyen | 150-160°C | 330°C | 4.2-4.4 | 0.018-0.022 | $ | Compatible sans plomb |
| FR-4 Haute Tg | 170-180°C | 340°C | 4.1-4.3 | 0.016-0.020 | $$ | Automobile, industriel |
| FR-4 IT180A | 180°C | 350°C | 4.0-4.2 | 0.015-0.018 | $$ | Haute fiabilité |
Électronique grand public, appareils IoT, contrôleurs simples
GPIO, SPI, I2C, UART, bus standard
Production en volume où le coût des matériaux compte
Sans fil sub-GHz, GPS L1, RF de base
Utilisez des matériaux à perte moyenne (Df <0,01) pour USB 3.0, PCIe Gen3+
Rogers, Taconic pour fréquences >10 GHz
La variation Dk du FR-4 peut dépasser ±10%
Le Df élevé provoque une perte d'insertion excessive
N'utilisez pas la valeur par défaut "4,5". Demandez à votre fabricant le Dk réel à votre fréquence. Valeurs typiques : 4,0-4,2 à 1 GHz pour les préimprégnés à résine moyenne.
Pour une impédance cohérente, spécifiez le style de verre (par exemple, "2 × 2116" ou "1 × 1080 + 1 × 2116"). Différentes combinaisons ont des Dk différents.
Pour l'assemblage sans plomb (refusion à 260°C), utilisez Tg ≥ 170°C. Le Tg standard peut provoquer une expansion de l'axe z et une fissuration du baril.
Pour les paires différentielles >3 Gbps, spécifiez du verre dispersé ou du verre NE pour réduire le décalage intra-paire dû à l'effet de tissage de fibre.
Utilisez du FR-4 standard pour les couches internes où la vitesse n'est pas importante, et améliorez uniquement les couches de signal haute vitesse si nécessaire (empilement hybride).
Obtenez toujours le rapport d'impédance du fabricant avant la production. Ils ont des valeurs Dk/Df précises pour leurs matériaux spécifiques.
Le Dk du FR-4 varie de 3,8 à 4,8 selon la teneur en résine, le style de verre et la fréquence de mesure. Les préimprégnés riches en résine (106, 1080) ont un Dk plus faible (~3,8-4,0), tandis que les styles riches en verre (7628) ont un Dk plus élevé (~4,3-4,5). La plupart des outils CAO utilisent 4,0-4,2 comme valeur 'typique', mais obtenez toujours les valeurs spécifiques de votre fabricant.
Le Dk du FR-4 diminue légèrement avec l'augmentation de la fréquence (dispersion). À 1 MHz, il peut mesurer 4,5, mais à 1 GHz, il est généralement de 4,0-4,2, et à 10 GHz environ 3,9-4,0. Cela se produit parce que les mécanismes de polarisation ne peuvent pas suivre aux fréquences plus élevées. Pour les conceptions au-dessus de 1 GHz, utilisez des valeurs Dk appropriées à la fréquence.
L'effet de tissage de verre se produit parce que la fibre de verre (Dk ≈ 6,2) et la résine époxy (Dk ≈ 3,2) ont des constantes diélectriques différentes. Une piste parallèle aux faisceaux de verre voit un Dk différent de celui qui les traverse, causant jusqu'à ±5% de variation d'impédance et un décalage intra-paire dans les signaux différentiels. Atténuation : incliner les pistes, utiliser du verre dispersé ou une teneur en résine plus élevée.
Utilisez du FR-4 à haute Tg (170°C+) pour : la soudure sans plomb (températures de pointe jusqu'à 260°C), les cycles de refusion multiples, les températures de fonctionnement élevées, ou lorsque l'expansion de l'axe z pendant la refusion pourrait endommager les trous plaqués. Le Tg standard (130°C) convient pour la soudure au plomb et le fonctionnement à température ambiante.
Le FR-4 fonctionne bien jusqu'à environ 3 Gbps. Au-delà, le Df élevé (0,020) provoque une atténuation significative du signal. Pour 5-10 Gbps, envisagez des matériaux à perte moyenne (Df ~0,010). Pour 10-28 Gbps, utilisez des stratifiés à faible perte (Df <0,005). Le FR-4 a également un Dk incohérent qui provoque une variation d'impédance dans les conceptions sensibles.