Наиболее широко используемый ламинат для печатных плат в электронной промышленности. Разберитесь в диэлектрических свойствах FR-4, эффектах стеклоткани и когда переходить на специализированные материалы для высокоскоростных конструкций.
FR-4 (огнезащитный состав 4) — это эпоксидно-стеклянный ламинат, который составляет основу более 90% всех печатных плат, производимых в мире. Он состоит из тканой стеклоткани, пропитанной бромированной эпоксидной смолой.
Обозначение "FR" указывает на соответствие требованиям огнестойкости UL 94 V-0. FR-4 обеспечивает отличный баланс электрических, механических и тепловых свойств при низкой стоимости, что делает его выбором по умолчанию для большинства применений.
Однако непостоянные диэлектрические свойства и относительно высокий тангенс потерь FR-4 делают его менее подходящим для высокочастотных и высокоскоростных цифровых приложений, где специализированные ламинаты обеспечивают лучшую производительность.
Тканая ткань обеспечивает механическую прочность. Dk ≈ 6,2
Заполняет зазоры и связывает слои. Dk ≈ 3,2. Больше смолы = ниже общий Dk.
Обычно бромсодержащие соединения. Увеличивает Df (потери).
Различные стили стеклоткани имеют разное содержание смолы, что напрямую влияет на диэлектрическую постоянную. Понимание этого имеет решающее значение для точного прогнозирования импеданса.
| Стиль стекла | Толщина | Содержание смолы | Типичный Dk | Обычное использование |
|---|---|---|---|---|
| 106 | 1.3 mil | ~75% | 3.6-3.8 | Очень тонкий препрег, заполнение |
| 1080 | 2.8 mil | ~65% | 3.8-4.0 | Стандартный тонкий препрег |
| 2116 | 4.5 mil | ~52% | 4.0-4.2 | Наиболее распространенный, хорошее заполнение |
| 1506 | 5.5 mil | ~50% | 4.1-4.3 | Средняя толщина |
| 7628 | 7.0 mil | ~42% | 4.3-4.5 | Толстый, жесткий препрег |
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-4 выпускается в различных классах с различными тепловыми и электрическими свойствами. Выбирайте в зависимости от процесса сборки и условий эксплуатации.
| Класс | Tg | Td | Dk | Df | Стоимость | Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Стандартный FR-4 | 130-140°C | 310°C | 4.3-4.5 | 0.020-0.025 | $ | Общего назначения, низкая скорость |
| Средний Tg FR-4 | 150-160°C | 330°C | 4.2-4.4 | 0.018-0.022 | $ | Совместим с бессвинцовым |
| Высокий Tg FR-4 | 170-180°C | 340°C | 4.1-4.3 | 0.016-0.020 | $$ | Автомобильная, промышленная |
| FR-4 IT180A | 180°C | 350°C | 4.0-4.2 | 0.015-0.018 | $$ | Высокая надежность |
Потребительская электроника, устройства IoT, простые контроллеры
GPIO, SPI, I2C, UART, стандартные шины
Объемное производство, где важна стоимость материала
Беспроводная связь sub-GHz, GPS L1, базовая РЧ
Используйте материалы со средними потерями (Df <0.01) для USB 3.0, PCIe Gen3+
Rogers, Taconic для частот >10 ГГц
Вариация Dk FR-4 может превышать ±10%
Высокий Df вызывает чрезмерные вносимые потери
Не используйте значение по умолчанию "4.5". Спросите у производителя фактический Dk на вашей частоте. Типичные значения: 4.0-4.2 на 1 ГГц для среднесмоляных препрегов.
Для постоянного импеданса укажите стиль стекла (например, "2 × 2116" или "1 × 1080 + 1 × 2116"). Разные комбинации имеют разные Dk.
Для бессвинцовой сборки (оплавление при 260°C) используйте Tg ≥ 170°C. Стандартный Tg может вызвать расширение по оси z и растрескивание стволов.
Для дифференциальных пар >3 Гбит/с укажите рассеянное стекло или NE-стекло для уменьшения перекоса внутри пары от эффекта переплетения волокон.
Используйте стандартный FR-4 для внутренних слоев, где скорость не важна, и обновляйте только высокоскоростные сигнальные слои при необходимости (гибридный стек).
Всегда получайте отчет об импедансе производителя перед производством. У них есть точные Dk/Df для их конкретных материалов.
Dk FR-4 варьируется от 3.8 до 4.8 в зависимости от содержания смолы, стиля стекла и частоты измерения. Препреги, богатые смолой (106, 1080), имеют более низкий Dk (~3.8-4.0), в то время как стили, богатые стеклом (7628), имеют более высокий Dk (~4.3-4.5). Большинство инструментов CAD используют 4.0-4.2 в качестве 'типичного' значения, но всегда получайте конкретные значения от вашего производителя.
Dk FR-4 немного уменьшается с увеличением частоты (дисперсия). При 1 МГц он может измерять 4.5, но при 1 ГГц обычно 4.0-4.2, а при 10 ГГц около 3.9-4.0. Это происходит потому, что механизмы поляризации не могут успевать на более высоких частотах. Для конструкций выше 1 ГГц используйте соответствующие частоте значения Dk.
Эффект стеклоткани возникает из-за того, что стекловолокно (Dk ≈ 6.2) и эпоксидная смола (Dk ≈ 3.2) имеют разные диэлектрические постоянные. Дорожка, идущая параллельно стеклянным пучкам, видит другой Dk, чем дорожка, пересекающая их, что вызывает до ±5% вариации импеданса и внутрипарный перекос в дифференциальных сигналах. Смягчение: наклонить дорожки, использовать рассеянное стекло или более высокое содержание смолы.
Используйте FR-4 с высоким Tg (170°C+) для: бессвинцовой пайки (пиковые температуры до 260°C), множественных циклов оплавления, высоких рабочих температур, или когда расширение по оси z во время оплавления может повредить металлизированные отверстия. Стандартный Tg (130°C) подходит для свинцовой пайки и работы при комнатной температуре.
FR-4 хорошо работает до примерно 3 Гбит/с. Выше этой скорости высокий Df (0.020) вызывает значительное затухание сигнала. Для 5-10 Гбит/с рассмотрите материалы со средними потерями (Df ~0.010). Для 10-28 Гбит/с используйте ламинаты с низкими потерями (Df <0.005). FR-4 также имеет непостоянный Dk, который вызывает вариацию импеданса в чувствительных конструкциях.