FR-4 die bekend moet zijn vóór het printen van PCB's

1. FR4-blad, ook geschreven als FR4, is zowel een naam als een standaardniveau

  Het organische substraatmateriaal dat wordt gebruikt voor de productie PCB's bestaat uit drie componenten: hars, versterkingsmateriaal en geleidende koperfolie.

  FR-4, zoals de naam, is van toepassing op het gebruik van glasvezeldoek als versterkend materiaal bij de vervaardiging van printplaten, en het harssysteem is een algemene term voor met epoxyhars gelamineerde platen. FR-4 is slechts een algemene term voor een type plaatwerk. Het glasvezeldoek is een glasvezel van elektronische kwaliteit, geweven tot een dun, doekachtig materiaal. Glasvezel zorgt ervoor dat FR-4 de noodzakelijke structurele stabiliteit heeft. Dit glasvezeldoek is omgeven en gebonden door epoxyhars met vlamvertragende additieven. Harsen geven materialen stijfheid en andere fysieke eigenschappen.

  De FR-4-specificatie is ontwikkeld door NEMA (Electrical Manufacturers Association of America) en de veelgebruikte classificatie van PCB NEMA-substraatkwaliteiten wordt weergegeven in de onderstaande tabel

  De FR in de NEMA-classificatiestandaard staat voor vlamvertragend of brandwerend, ook wel brandclassificatie genoemd. Daarom zijn FR-gecertificeerde platen allemaal vlamvertragende platen, en het cijfer "4" onderscheidt het materiaal van andere materialen van dezelfde kwaliteit. 4 geeft aan dat de hars epoxyhars is, het versterkende materiaal glasvezeldoek is en de brandklasse UL94 V-0 is. De vlamvertragende kwaliteit van FR-1, FR-2 en FR-3 is UL 94V-1, en de gebruikte harsen en versterkende materialen zijn ook verschillend.

  In de jaren vijftig werden met papier-fenol-koper beklede substraten geïntroduceerd en op grote schaal gebruikt in elektrische apparatuur zoals radio's en televisies. Dit materiaal had echter een lage elektrische isolatie en was niet vlamvertragend. In die tijd waren er veel brandongevallen veroorzaakt door elektrische storingen in de tv in de Verenigde Staten, dus verdeelde NEMA verschillende PCB-substraatkwaliteiten op basis van elektrische veiligheidsoverwegingen, voornamelijk gebaseerd op de ontvlambaarheid, stabiliteit bij hoge temperaturen, vochtopname en andere indicatoren van het circuit plaatsubstraat, maar specificeerde niet de elektrische eigenschappen van het substraat, zoals de diëlektrische constante, verliestangens en andere indicatoren.

  FR-4 is slechts één niveau in de NEMA-substraatclassificatie en vertegenwoordigt alleen de materiaalcategorie, niet het specifieke materiaal. Een veel voorkomend probleem is dat FR-4 vaak wordt verward met een specifiek diëlektricum, zoals het FR-4-materiaal in onze simulatiesoftware, dat een standaard diëlektrische constante van 4.2 en een verlieshoektangens van 0.02 heeft. Veel platen met gemiddeld tot laag verlies zijn echter ook materialen van FR-4-kwaliteit.

2. Waarom is FR4 een standaardbord in PCB-fabrieken

  De eerste veelgebruikte printplaten waren met papier fenol-koper beklede substraten, zoals XPC en XXXPC, die relatief goedkoop maar niet vlamvertragend waren. Na de brandongevallen veroorzaakt door circuitstoringen in de jaren zeventig begon de belangrijkste elektrische apparatuur vlamvertragende substraten te gebruiken. Het gebruik van met papierfenolkoper beklede substraten FR-1970 en FR-1 met vlamvertragende eigenschappen overtrof geleidelijk dat van niet-vlamvertragende XPC- en XXXPC-substraten.

  In de jaren tachtig begonnen draagbare multimedia-apparaten populair te worden, zoals Walkmans en BPM's. PCB's begonnen zich te ontwikkelen in de richting van miniaturisatie en hoge dichtheid, en de toepassing van meerlaagse PCB's werd steeds gebruikelijker, wat leidde tot de ontwikkeling van PCB-substraten.

  Hoewel papieren substraten zoals XPC en FR-1 goedkoper zijn dan epoxy-glasvezelsubstraat FR-4, zijn ze niet zo goed als FR-4 wat betreft vochtabsorptie, hittebestendigheid en mechanische sterkte. Vroeger werden papieren substraten doorgaans gebruikt voor prijsgevoelige consumentenproducten, terwijl FR-4 vaker werd gebruikt voor industriële producten.

  Maar nu consumentenapparaten steeds kleiner, lichter en dunner worden, neemt ook het gebruik van FR-4-panelen toe. Met het wijdverbreide gebruik van PCB's met standaarddiktes variërend van 1.6 mm tot 0.8 mm zijn de mechanische sterkte en vochtbestendigheid van papieren substraten een probleem geworden. Bovendien zijn papieren substraten niet geschikt voor de productie van meerlaagse platen, en met de ontwikkeling van miniaturisatie van apparatuur neemt de dichtheid van PCB-bedrading toe en neemt ook het marktaandeel van meerlaagse platen toe. Daarom verschuiven consumentenproducten, ondanks de relatief hoge kosten van FR-4-panelen, nog steeds geleidelijk naar FR-4-panelen.

  Een andere belangrijke reden waarom PCB-sjabloonfabrieken veelvuldig voor FR-4 kiezen in plaats van goedkopere papiersubstraten te gebruiken, is dat papieren substraten niet geschikt zijn voor boorprocessen, maar alleen voor ponsprocessen, terwijl FR-4 zeer eenvoudig te verwerken is.

  Met de voortdurende uitbreiding van de productiecapaciteit voor materialen zoals epoxyhars en glasvezeldoek is het huidige standaard FR-4-substraat al een goedkoop materiaal met uitstekende mechanische eigenschappen en verwerkbaarheid, waardoor het zeer populair is onder wereldwijde goedkope fabrikanten van elektronische producten. .

3. Prestatie-indicatoren van FR-4

  FR-4-substraat is een epoxyharssysteem, dus de Tg-waarde is lange tijd de meest gebruikte indicator geweest voor het classificeren van FR-4-substraatkwaliteiten en is ook een van de belangrijkste prestatie-indicatoren in de IPC-4101-specificatie.

Glasovergangstemperatuur Tg

  De Tg-waarde van een harssysteem verwijst naar het temperatuurovergangspunt waarop een materiaal overgaat van een relatief stijve of "glazen" toestand naar een gemakkelijk vervormbare of verzachte toestand. Zolang de hars niet ontleedt, is deze thermodynamische verandering altijd omkeerbaar. Dit betekent dat wanneer het materiaal wordt verwarmd van een toestand op kamertemperatuur naar een temperatuur hoger dan de Tg-waarde en vervolgens wordt afgekoeld tot onder de Tg-waarde, het kan terugkeren naar een stijve toestand met dezelfde eigenschappen als voorheen. Wanneer het materiaal echter wordt verwarmd tot een temperatuur die veel hoger is dan de Tg-waarde, kan dit leiden tot onomkeerbare faseveranderingen. De impact van deze temperatuur hangt nauw samen met het type materiaal en ook met de thermische ontleding van de hars.

  Over het algemeen geldt dat hoe hoger de Tg van het substraat, hoe hoger de betrouwbaarheid van het materiaal. Als het loodvrij lasproces wordt gebruikt, moet ook rekening worden gehouden met de thermische ontledingstemperatuur (Td) van het substraat.

  Andere belangrijke prestatie-indicatoren zijn onder meer de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE), waterabsorptie, hechtingseigenschappen van materialen en veelgebruikte delaminatietijdtests, zoals T260- en T288-tests.

4. Diversiteit van FR4-blad

  Wat zijn de specifieke verschillen tussen materialen in deze categorie, waarbij glasvezeldoek wordt gebruikt als versterkend materiaal, epoxyhars als harssysteem en FR-4 als basismateriaal met een vlamvertragende beoordeling van UL 94V-0?

Verdeel op basis van de Tg-waarde

  Het meest voor de hand liggende verschil tussen FR-4-materialen is de Tg-waarde. Afhankelijk van de Tg-temperatuur worden FR-4-platen in het algemeen verdeeld in platen met lage Tg, gemiddelde Tg en hoge Tg.

  In de industrie wordt FR-4 met Tg rond 135 ℃ gewoonlijk geclassificeerd als plaat met een lage Tg; Neem FR-4 met Tg bij ongeveer 150 ℃ als een medium Tg-plaat; 

Classificeer FR-4 met ongeveer 170 ℃ Tg als een hoge Tg-plaat.

  Als er meerdere perstijden zijn, meerdere PCB-lagen (meer dan 14 lagen), hoge lastemperatuur (≥ 230 ℃), hoge werktemperatuur (meer dan 100 ℃) of hoge thermische lasbelasting (zoals golfsolderen) tijdens PCB-verwerking, hoge Tg-platen moeten worden geselecteerd.

Verdeeld op basis van verliezen

Gewone verliesplaat (Df ≥ 0.02)

Plaat met gemiddeld verlies (0.01

Blad met laag verlies (0.005

Plaat met ultralaag verlies (Df < 0.005)