O laminado de PCB mais utilizado na indústria eletrônica. Entenda as propriedades dielétricas do FR-4, os efeitos do tecido de vidro e quando atualizar para materiais especializados para projetos de alta velocidade.
FR-4 (Retardante de chama 4) é um laminado de vidro epóxi que forma a base de mais de 90% de todos os PCBs fabricados em todo o mundo. Consiste em tecido de fibra de vidro trançado impregnado com resina epóxi bromada.
A designação "FR" indica que atende aos requisitos de retardância de chama UL 94 V-0. O FR-4 oferece um excelente equilíbrio de propriedades elétricas, mecânicas e térmicas a baixo custo, tornando-o a escolha padrão para a maioria das aplicações.
No entanto, as propriedades dielétricas inconsistentes e a tangente de perda relativamente alta do FR-4 o tornam menos adequado para aplicações de alta frequência e digitais de alta velocidade, onde laminados especializados fornecem melhor desempenho.
O tecido trançado fornece resistência mecânica. Dk ≈ 6,2
Preenche lacunas e une camadas. Dk ≈ 3,2. Maior resina = menor Dk geral.
Normalmente compostos de bromo. Aumenta o Df (perda).
Diferentes estilos de tecido de vidro têm teor de resina variável, o que afeta diretamente a constante dielétrica. Compreender isso é crucial para a previsão precisa da impedância.
| Estilo de vidro | Espessura | Teor de resina | Dk típico | Uso comum |
|---|---|---|---|---|
| 106 | 1.3 mil | ~75% | 3.6-3.8 | Prepreg muito fino, enchimento |
| 1080 | 2.8 mil | ~65% | 3.8-4.0 | Prepreg fino padrão |
| 2116 | 4.5 mil | ~52% | 4.0-4.2 | Mais comum, bom enchimento |
| 1506 | 5.5 mil | ~50% | 4.1-4.3 | Espessura média |
| 7628 | 7.0 mil | ~42% | 4.3-4.5 | Grosso, 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.
O FR-4 vem em diferentes graus com propriedades térmicas e elétricas variáveis. Escolha com base em seu processo de montagem e ambiente operacional.
| Grau | Tg | Td | Dk | Df | Custo | Aplicação |
|---|---|---|---|---|---|---|
| FR-4 padrão | 130-140°C | 310°C | 4.3-4.5 | 0.020-0.025 | $ | Uso geral, baixa velocidade |
| FR-4 Tg médio | 150-160°C | 330°C | 4.2-4.4 | 0.018-0.022 | $ | Compatível sem chumbo |
| FR-4 Tg alto | 170-180°C | 340°C | 4.1-4.3 | 0.016-0.020 | $$ | Automotivo, industrial |
| FR-4 IT180A | 180°C | 350°C | 4.0-4.2 | 0.015-0.018 | $$ | Alta confiabilidade |
Eletrônicos de consumo, dispositivos IoT, controladores simples
GPIO, SPI, I2C, UART, barramentos padrão
Produção em volume onde o custo do material é importante
Sem fio sub-GHz, GPS L1, RF básico
Use materiais de perda média (Df <0.01) para USB 3.0, PCIe Gen3+
Rogers, Taconic para frequências >10 GHz
A variação de Dk do FR-4 pode exceder ±10%
O alto Df causa perda de inserção excessiva
Não use o padrão "4.5". Pergunte ao seu fabricante o Dk real na sua frequência. Valores típicos: 4.0-4.2 a 1 GHz para pré-impregnados de resina média.
Para impedância consistente, especifique o estilo de vidro (por exemplo, "2 × 2116" ou "1 × 1080 + 1 × 2116"). Diferentes combinações têm diferentes Dk.
Para montagem sem chumbo (refluxo de 260°C), use Tg ≥ 170°C. O Tg padrão pode causar expansão do eixo z e rachadura do barril.
Para pares diferenciais >3 Gbps, especifique vidro disperso ou vidro NE para reduzir o desvio intra-par do efeito de tecido de fibra.
Use FR-4 padrão para camadas internas onde a velocidade não importa, e atualize apenas as camadas de sinal de alta velocidade se necessário (empilhamento híbrido).
Sempre obtenha o relatório de impedância do fabricante antes da produção. Eles têm Dk/Df precisos para seus materiais específicos.
O Dk do FR-4 varia de 3.8 a 4.8 dependendo do teor de resina, estilo de vidro e frequência de medição. Prepregs ricos em resina (106, 1080) têm Dk mais baixo (~3.8-4.0), enquanto estilos ricos em vidro (7628) têm Dk mais alto (~4.3-4.5). A maioria das ferramentas CAD usa 4.0-4.2 como valor 'típico', mas sempre obtenha valores específicos do seu fabricante.
O Dk do FR-4 diminui ligeiramente à medida que a frequência aumenta (dispersão). A 1 MHz pode medir 4.5, mas a 1 GHz é tipicamente 4.0-4.2, e a 10 GHz cerca de 3.9-4.0. Isso ocorre porque os mecanismos de polarização não conseguem acompanhar frequências mais altas. Para projetos acima de 1 GHz, use valores de Dk apropriados para a frequência.
O efeito de tecido de vidro ocorre porque a fibra de vidro (Dk ≈ 6.2) e a resina epóxi (Dk ≈ 3.2) têm constantes dielétricas diferentes. Um traço correndo paralelo aos feixes de vidro vê um Dk diferente de um que os cruza, causando até ±5% de variação de impedância e desvio intra-par em sinais diferenciais. Mitigação: inclinar os traços, usar vidro disperso ou maior teor de resina.
Use FR-4 de alta Tg (170°C+) para: soldagem sem chumbo (temperaturas de pico até 260°C), múltiplos ciclos de refluxo, altas temperaturas de operação, ou quando a expansão do eixo z durante o refluxo poderia danificar os furos metalizados. A Tg padrão (130°C) é adequada para solda com chumbo e operação em temperatura ambiente.
O FR-4 funciona bem até cerca de 3 Gbps. Além disso, o alto Df (0.020) causa atenuação significativa do sinal. Para 5-10 Gbps, considere materiais de perda média (Df ~0.010). Para 10-28 Gbps, use laminados de baixa perda (Df <0.005). O FR-4 também tem um Dk inconsistente que causa variação de impedância em projetos sensíveis.