FR-4(阻燃4级)是一种环氧玻璃层压板,构成全球90%以上PCB制造的基础。 它由浸渍溴化环氧树脂的编织玻璃纤维布组成。
"FR"标识表示它符合UL 94 V-0阻燃性要求。FR-4在低成本下提供了电气、机械和热性能的出色平衡,使其成为大多数应用的默认选择。
然而,FR-4不一致的介电性能和相对较高的损耗角正切使其不太适合高频和高速数字应用,在这些应用中,特殊层压板提供更好的性能。
编织织物提供机械强度。Dk ≈ 6.2
填充间隙并粘合层。Dk ≈ 3.2。更高的树脂 = 更低的整体Dk。
通常是溴化合物。增加Df(损耗)。
不同的玻璃织物样式具有不同的树脂含量,这直接影响介电常数。了解这一点对准确预测阻抗至关重要。
| 玻璃样式 | 厚度 | 树脂含量 | 典型Dk | 常见用途 |
|---|---|---|---|---|
| 106 | 1.3 mil | ~75% | 3.6-3.8 | 极薄半固化片,填充 |
| 1080 | 2.8 mil | ~65% | 3.8-4.0 | 标准薄半固化片 |
| 2116 | 4.5 mil | ~52% | 4.0-4.2 | 最常见,填充性好 |
| 1506 | 5.5 mil | ~50% | 4.1-4.3 | 中等厚度 |
| 7628 | 7.0 mil | ~42% | 4.3-4.5 | 厚,硬质半固化片 |
玻璃束和树脂口袋会造成局部±10%的Dk变化。对于差分对,这会导致对内偏差。缓解方法:以一定角度布线走线、使用分散玻璃层压板或指定高树脂半固化片。
FR-4有不同等级,具有不同的热性能和电性能。根据您的组装工艺和操作环境进行选择。
| 等级 | Tg | Td | Dk | Df | 成本 | 应用 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 标准 FR-4 | 130-140°C | 310°C | 4.3-4.5 | 0.020-0.025 | $ | 通用目的,低速 |
| 中Tg FR-4 | 150-160°C | 330°C | 4.2-4.4 | 0.018-0.022 | $ | 无铅兼容 |
| 高Tg FR-4 | 170-180°C | 340°C | 4.1-4.3 | 0.016-0.020 | $$ | 汽车,工业 |
| FR-4 IT180A | 180°C | 350°C | 4.0-4.2 | 0.015-0.018 | $$ | 高可靠性 |
消费电子产品、物联网设备、简单控制器
GPIO、SPI、I2C、UART、标准总线
大批量生产,材料成本很重要
Sub-GHz无线、GPS L1、基础射频
使用中损耗材料(Df <0.01)用于USB 3.0、PCIe Gen3+
频率>10 GHz时使用罗杰斯、Taconic
FR-4的Dk变化可能超过±10%
高Df导致过度的插入损耗
不要使用『4.5』默认值。向制造商询问您频率下的实际Dk。典型值:1 GHz下中树脂半固化片为4.0-4.2。
为了获得一致的阻抗,请指定玻璃样式(例如,『2 × 2116』或『1 × 1080 + 1 × 2116』)。不同的组合具有不同的Dk。
对于无铅组装(260°C回流),使用Tg ≥ 170°C。标准Tg可能导致Z轴膨胀和桶裂。
对于>3 Gbps的差分对,指定分散玻璃或NE玻璃以减少纤维编织效应的对内偏差。
对速度不重要的内层使用标准FR-4,仅在需要时升级高速信号层(混合叠层)。
生产前始终获取制造商的阻抗报告。他们对其特定材料有精确的Dk/Df。
FR-4的Dk值根据树脂含量、玻璃样式和测量频率而异,范围从3.8到4.8。高树脂半固化片(106、1080)具有较低的Dk(约3.8-4.0),而富玻璃样式(7628)具有较高的Dk(约4.3-4.5)。大多数CAD工具使用4.0-4.2作为'典型'值,但始终从制造商获取特定值。
FR-4的Dk随频率增加而略有下降(色散)。在1 MHz时可能测量为4.5,但在1 GHz时通常为4.0-4.2,在10 GHz时约为3.9-4.0。这是因为极化机制在较高频率下跟不上。对于1 GHz以上的设计,请使用适合频率的Dk值。
玻璃纤维效应发生是因为玻璃纤维(Dk ≈ 6.2)和环氧树脂(Dk ≈ 3.2)具有不同的介电常数。平行于玻璃束运行的走线看到的Dk与穿过它们的走线不同,导致高达±5%的阻抗变化和差分信号中的对内偏差。缓解方法:倾斜走线、使用分散玻璃或更高树脂含量。
在以下情况下使用高Tg(170°C+) FR-4:无铅焊接(峰值温度高达260°C)、多次回流循环、高工作温度,或回流期间的Z轴膨胀可能损坏镀通孔时。标准Tg(130°C)适用于含铅焊料和室温操作。
FR-4在约3 Gbps以下工作良好。超过这个速度,高Df(0.020)会导致显著的信号衰减。对于5-10 Gbps,考虑中损耗材料(Df约0.010)。对于10-28 Gbps,使用低损耗层压板(Df <0.005)。FR-4还具有不一致的Dk,这会在敏感设计中导致阻抗变化。