Il laminato per PCB più utilizzato nell'industria elettronica. Comprendere le proprietà dielettriche del FR-4, gli effetti della tessitura del vetro e quando passare a materiali specializzati per progetti ad alta velocità.
FR-4 (Ritardante di fiamma 4) è un laminato epossidico-vetro che forma la base di oltre il 90% di tutti i PCB prodotti in tutto il mondo. È composto da tessuto di fibra di vetro intrecciato impregnato di resina epossidica bromata.
La designazione "FR" indica che soddisfa i requisiti di ritardo di fiamma UL 94 V-0. L'FR-4 offre un eccellente equilibrio di proprietà elettriche, meccaniche e termiche a basso costo, rendendolo la scelta predefinita per la maggior parte delle applicazioni.
Tuttavia, le proprietà dielettriche incoerenti e la tangente di perdita relativamente alta dell'FR-4 lo rendono meno adatto per applicazioni ad alta frequenza e digitali ad alta velocità, dove i laminati specializzati forniscono prestazioni migliori.
Il tessuto intrecciato fornisce resistenza meccanica. Dk ≈ 6,2
Riempie gli spazi e unisce gli strati. Dk ≈ 3,2. Maggiore resina = Dk complessivo inferiore.
Tipicamente composti di bromo. Aumenta il Df (perdita).
Diversi stili di tessitura del vetro hanno un contenuto di resina variabile, che influisce direttamente sulla costante dielettrica. Comprendere questo è cruciale per una previsione accurata dell'impedenza.
| Stile di vetro | Spessore | Contenuto di resina | Dk tipico | Uso comune |
|---|---|---|---|---|
| 106 | 1.3 mil | ~75% | 3.6-3.8 | Prepreg molto sottile, riempimento |
| 1080 | 2.8 mil | ~65% | 3.8-4.0 | Prepreg sottile standard |
| 2116 | 4.5 mil | ~52% | 4.0-4.2 | Più comune, buon riempimento |
| 1506 | 5.5 mil | ~50% | 4.1-4.3 | Spessore medio |
| 7628 | 7.0 mil | ~42% | 4.3-4.5 | Spesso, prepreg rigido |
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.
L'FR-4 è disponibile in diversi gradi con proprietà termiche ed elettriche variabili. Scegli in base al tuo processo di assemblaggio e all'ambiente operativo.
| Grado | Tg | Td | Dk | Df | Costo | Applicazione |
|---|---|---|---|---|---|---|
| FR-4 standard | 130-140°C | 310°C | 4.3-4.5 | 0.020-0.025 | $ | Uso generale, bassa velocità |
| FR-4 Tg medio | 150-160°C | 330°C | 4.2-4.4 | 0.018-0.022 | $ | Compatibile senza piombo |
| FR-4 Tg alto | 170-180°C | 340°C | 4.1-4.3 | 0.016-0.020 | $$ | Automobilistico, industriale |
| FR-4 IT180A | 180°C | 350°C | 4.0-4.2 | 0.015-0.018 | $$ | Alta affidabilità |
Elettronica di consumo, dispositivi IoT, controller semplici
GPIO, SPI, I2C, UART, bus standard
Produzione in volume dove il costo del materiale è importante
Wireless sub-GHz, GPS L1, RF di base
Utilizzare materiali a media perdita (Df <0.01) per USB 3.0, PCIe Gen3+
Rogers, Taconic per frequenze >10 GHz
La variazione di Dk dell'FR-4 può superare ±10%
L'alto Df causa una perdita di inserzione eccessiva
Non utilizzare il valore predefinito "4.5". Chiedi al tuo produttore il Dk effettivo alla tua frequenza. Valori tipici: 4.0-4.2 a 1 GHz per preimpregnati a resina media.
Per un'impedenza coerente, specificare lo stile del vetro (ad es. "2 × 2116" o "1 × 1080 + 1 × 2116"). Diverse combinazioni hanno diversi Dk.
Per assemblaggio senza piombo (reflow a 260°C), utilizzare Tg ≥ 170°C. Il Tg standard può causare espansione dell'asse z e fessurazione del barile.
Per coppie differenziali >3 Gbps, specificare vetro disperso o vetro NE per ridurre lo sfasamento intra-coppia dall'effetto tessitura della fibra.
Utilizzare FR-4 standard per strati interni dove la velocità non è importante, e aggiornare solo gli strati di segnale ad alta velocità se necessario (stackup ibrido).
Ottenere sempre il rapporto di impedenza del fabbricante prima della produzione. Hanno Dk/Df precisi per i loro materiali specifici.
Il Dk del FR-4 varia da 3.8 a 4.8 a seconda del contenuto di resina, stile del vetro e frequenza di misurazione. I prepreg ricchi di resina (106, 1080) hanno un Dk inferiore (~3.8-4.0), mentre gli stili ricchi di vetro (7628) hanno un Dk superiore (~4.3-4.5). La maggior parte degli strumenti CAD utilizza 4.0-4.2 come valore 'tipico', ma ottenete sempre valori specifici dal vostro produttore.
Il Dk del FR-4 diminuisce leggermente all'aumentare della frequenza (dispersione). A 1 MHz potrebbe misurare 4.5, ma a 1 GHz è tipicamente 4.0-4.2, e a 10 GHz circa 3.9-4.0. Questo accade perché i meccanismi di polarizzazione non riescono a tenere il passo a frequenze più elevate. Per progetti sopra 1 GHz, utilizzare valori di Dk appropriati alla frequenza.
L'effetto tessitura del vetro si verifica perché la fibra di vetro (Dk ≈ 6.2) e la resina epossidica (Dk ≈ 3.2) hanno diverse costanti dielettriche. Una traccia che corre parallela ai fasci di vetro vede un Dk diverso da una che li attraversa, causando fino a ±5% di variazione di impedenza e disallineamento intra-coppia nei segnali differenziali. Mitigazione: inclinare le tracce, usare vetro disperso o maggiore contenuto di resina.
Utilizzare FR-4 ad alta Tg (170°C+) per: saldatura senza piombo (temperature di picco fino a 260°C), cicli di rifusione multipli, alte temperature operative, o quando l'espansione dell'asse z durante la rifusione potrebbe danneggiare i fori placcati. La Tg standard (130°C) è adatta per saldatura al piombo e funzionamento a temperatura ambiente.
Il FR-4 funziona bene fino a circa 3 Gbps. Oltre ciò, l'alto Df (0.020) causa un'attenuazione significativa del segnale. Per 5-10 Gbps, considerate materiali a perdita media (Df ~0.010). Per 10-28 Gbps, utilizzate laminati a bassa perdita (Df <0.005). Il FR-4 ha anche un Dk inconsistente che causa variazione di impedenza in progetti sensibili.