전자 산업에서 가장 널리 사용되는 PCB 적층판. FR-4 유전 특성, 유리 직조 효과, 고속 설계를 위한 특수 재료로의 업그레이드 시기를 이해하십시오.
FR-4 (난연제 4)는 전 세계적으로 제조되는 모든 PCB의 90% 이상을 구성하는 에폭시-유리 적층판입니다. 브롬화 에폭시 수지가 함침된 직조 유리 섬유 천으로 구성됩니다.
"FR" 지정은 UL 94 V-0 난연성 요구 사항을 충족함을 나타냅니다. FR-4는 저렴한 비용으로 전기적, 기계적, 열적 특성의 우수한 균형을 제공하여 대부분의 응용 분야에서 기본 선택이 됩니다.
그러나 FR-4의 일관성 없는 유전 특성과 비교적 높은 손실 탄젠트는 특수 적층판이 더 나은 성능을 제공하는 고주파 및 고속 디지털 응용 분야에 덜 적합합니다.
직조 직물은 기계적 강도를 제공합니다. Dk ≈ 6.2
간격을 채우고 층을 접합합니다. Dk ≈ 3.2. 수지가 많을수록 = 전체 Dk가 낮음.
일반적으로 브롬 화합물. Df(손실)를 증가시킵니다.
다양한 유리 직조 스타일은 수지 함량이 다르며, 이는 유전 상수에 직접적으로 영향을 미칩니다. 이를 이해하는 것은 정확한 임피던스 예측에 필수적입니다.
| 유리 스타일 | 두께 | 수지 함량 | 일반적인 Dk | 일반적인 용도 |
|---|---|---|---|---|
| 106 | 1.3 mil | ~75% | 3.6-3.8 | 매우 얇은 프리프레그, 충진 |
| 1080 | 2.8 mil | ~65% | 3.8-4.0 | 표준 얇은 프리프레그 |
| 2116 | 4.5 mil | ~52% | 4.0-4.2 | 가장 일반적, 우수한 충진 |
| 1506 | 5.5 mil | ~50% | 4.1-4.3 | 중간 두께 |
| 7628 | 7.0 mil | ~42% | 4.3-4.5 | 두꺼운, 단단한 프리프레그 |
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.
FR-4는 다양한 열적 및 전기적 특성을 가진 여러 등급으로 제공됩니다. 조립 공정 및 작동 환경에 따라 선택하십시오.
| 등급 | Tg | Td | Dk | Df | 비용 | 응용 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 표준 FR-4 | 130-140°C | 310°C | 4.3-4.5 | 0.020-0.025 | $ | 범용, 저속 |
| 중Tg FR-4 | 150-160°C | 330°C | 4.2-4.4 | 0.018-0.022 | $ | 무연 호환 |
| 고Tg FR-4 | 170-180°C | 340°C | 4.1-4.3 | 0.016-0.020 | $$ | 자동차, 산업 |
| FR-4 IT180A | 180°C | 350°C | 4.0-4.2 | 0.015-0.018 | $$ | 고신뢰성 |
소비자 전자제품, IoT 장치, 간단한 컨트롤러
GPIO, SPI, I2C, UART, 표준 버스
재료 비용이 중요한 대량 생산
서브 GHz 무선, GPS L1, 기본 RF
USB 3.0, PCIe Gen3+에는 중간 손실 재료(Df <0.01)를 사용하세요
주파수 >10 GHz에는 Rogers, Taconic을 사용하세요
FR-4 Dk 변동은 ±10%를 초과할 수 있습니다
높은 Df가 과도한 삽입 손실을 유발합니다
"4.5" 기본값을 사용하지 마세요. 제조업체에 귀하의 주파수에서의 실제 Dk를 문의하세요. 일반 값: 1 GHz에서 중간 수지 프리프레그의 경우 4.0-4.2.
일관된 임피던스를 위해 유리 스타일을 지정하세요(예: "2 × 2116" 또는 "1 × 1080 + 1 × 2116"). 다른 조합은 다른 Dk를 가집니다.
무연 조립(260°C 리플로우)의 경우 Tg ≥ 170°C를 사용하세요. 표준 Tg는 z축 팽창과 배럴 균열을 유발할 수 있습니다.
3 Gbps 이상의 차동 쌍의 경우, 섬유 직조 효과로 인한 쌍 내 스큐를 줄이기 위해 분산 유리 또는 NE 유리를 지정하세요.
속도가 중요하지 않은 내부 층에는 표준 FR-4를 사용하고, 필요한 경우에만 고속 신호 층을 업그레이드하세요(하이브리드 스택업).
생산 전에 항상 제조업체의 임피던스 보고서를 받으세요. 그들은 특정 재료에 대한 정확한 Dk/Df를 가지고 있습니다.
FR-4의 Dk 값은 수지 함량, 유리 스타일 및 측정 주파수에 따라 3.8에서 4.8까지 다양합니다. 고수지 프리프레그(106, 1080)는 낮은 Dk(약 3.8-4.0)를 가지며, 유리가 풍부한 스타일(7628)은 높은 Dk(약 4.3-4.5)를 가집니다. 대부분의 CAD 도구는 4.0-4.2를 '일반적인' 값으로 사용하지만 항상 제조업체로부터 특정 값을 얻으십시오.
FR-4의 Dk 값은 주파수가 증가함에 따라 약간 감소합니다(분산). 1 MHz에서는 4.5를 측정할 수 있지만 1 GHz에서는 일반적으로 4.0-4.2이고 10 GHz에서는 약 3.9-4.0입니다. 이는 편극 메커니즘이 더 높은 주파수에서 따라갈 수 없기 때문에 발생합니다. 1 GHz 이상의 설계에는 주파수에 적합한 Dk 값을 사용하십시오.
유리 직조 효과는 유리 섬유(Dk ≈ 6.2)와 에폭시 수지(Dk ≈ 3.2)가 서로 다른 유전 상수를 가지고 있기 때문에 발생합니다. 유리 번들과 평행하게 달리는 트레이스는 그것들을 가로지르는 트레이스와 다른 Dk를 보며, 최대 ±5%의 임피던스 변동과 차동 신호의 쌍 내 스큐를 야기합니다. 완화: 트레이스를 기울이거나, 분산 유리를 사용하거나, 수지 함량을 높입니다.
다음의 경우 고Tg(170°C+) FR-4를 사용하십시오: 무연 솔더링(피크 온도 최대 260°C), 다중 리플로우 사이클, 높은 작동 온도, 또는 리플로우 중 z축 팽창이 도금된 홀을 손상시킬 수 있는 경우. 표준 Tg(130°C)는 납 솔더 및 실온 작동에 적합합니다.
FR-4는 약 3 Gbps까지 잘 작동합니다. 그 이상에서는 높은 Df(0.020)가 상당한 신호 감쇠를 유발합니다. 5-10 Gbps의 경우 중간 손실 재료(Df ~0.010)를 고려하십시오. 10-28 Gbps의 경우 저손실 적층판(Df <0.005)을 사용하십시오. FR-4는 또한 민감한 설계에서 임피던스 변동을 유발하는 일관되지 않은 Dk 값을 가지고 있습니다.