Новости PCB - Классификация материалов для печатных плат FR-4

FR-4, также обозначаемый как FR4, является одновременно и названием, и стандартным сортом.

Органический материал подложки FR-4, используемый в производстве печатных плат, состоит из трех компонентов: смолы, армирующего материала и токопроводящей медной фольги.

Состав ламината FR-4

FR-4 - это название ламината, в котором в качестве армирующего материала используется стеклоткань, а в качестве полимерной системы - эпоксидная смола при изготовлении печатных плат.

FR-4 - это всего лишь общий термин для обозначения класса плат. Стеклоткань - это стекловолокно для электронных приборов, которое вплетается в тонкий материал, похожий на ткань. Стекловолокно придает FR-4 необходимую структурную стабильность. Стеклоткань покрыта эпоксидной смолой с огнезащитными добавками. Помимо других физических свойств, смола придает материалу жесткость.

Технические характеристики FR-4 установлены NEMA (Национальной ассоциацией производителей электротехники), а наиболее часто используемые марки печатных плат приведены в таблице ниже.

Состав FR4

Стандарты классификации NEMA в FR относятся к огнестойким (Fire-Retardant) или огнестойким (Fire-Resistant), т.е. класс огнестойкости, поэтому панели FR относятся к огнестойким панелям, а число цифр "4" обозначает материал и другие материалы того же уровня, что и панели FR. различают 4, то есть смола представляет собой эпоксидную смолу, армирующий материал для стеклоткани по стандарту UL94 V-0 для панелей такого класса. Цифра "4" отличает этот материал от других материалов того же класса, 4 означает, что в качестве смолы используется эпоксидная смола, армирующий материал - стеклоткань, а класс огнестойкости - UL94 V-0. FR-1, FR-2 и FR-3 соответствуют стандарту UL 94V-1 и содержат различные смолы и армирующие материалы.

В 1950-х годах появились бумажные фенольные ламинированные медные подложки, которые использовались в большом количестве радио- и телевизионных установок и другого электрооборудования, но этот материал обладает низкой электрической изоляцией и не является огнестойким. В то время в Соединенных Штатах произошел ряд несчастных случаев с пожарами, вызванных отказом электропроводки телевизоров, поэтому NEMA из соображений электробезопасности разделила подложки печатных плат на различные уровни, в основном исходя из воспламеняемости подложки печатной платы, стабильности при высоких температурах и влагопоглощении и т.д., но не обеспечила для определения электрических характеристик подложки, таких как диэлектрическая проницаемость, тангенс угла потерь и т.д., используются квоты.

FR-4 является лишь одной из марок в классификации субстратов NEMA и представляет собой класс материалов, а не конкретный материал. Распространенная проблема заключается в том, что FR-4 часто путают с определенным диэлектриком, например, материал FR-4 в нашем программном обеспечении для моделирования по умолчанию имеет диэлектрическую проницаемость 4,2 и тангенс угла потерь 0,02, но многие платы с низкими и средними потерями также соответствуют стандарту FR-4.

FR4 обязательно должен быть на складе каждого завода по производству печатных плат. Почему FR4 является наиболее распространенным материалом на заводах по производству печатных плат?

NEMA Classification Standards

Первыми широко используемыми печатными платами были бумажные фенольные ламинированные медные подложки, такие как XPC, XXXPC, поскольку цена этого материала относительно низкая, но они не являются огнестойкими материалами, в 1970-х годах, после возникновения пожаров из-за сбоев в цепи, основное электрооборудование начало выходить из строя. переход на использование огнестойких подложек с огнезащитными свойствами бумажных фенольных ламинированных медных подложек FR-1, FR-2 постепенно вытеснил негорючие подложки XPC, XXXPC. Использование подложек на основе бумаги FR-1 и FR-2, покрытых фенольной медью, с огнезащитными свойствами постепенно превзошло использование негорючих XPC и XXXPC.

В 1980-х годах стали популярны мультимедийные портативные устройства, такие как Walkman, BP machine и т.д. Печатные платы начали развиваться в направлении миниатюризации и высокой плотности, а применение многослойных печатных плат становилось все более распространенным, что, в свою очередь, привело к разработке материалов для подложек печатных плат.

Хотя бумажные подложки, такие как XPC и FR-1, дешевле, чем подложка из эпоксидной стеклоткани FR-4, они уступают FR-4 по влагопоглощению, термостойкости и механической прочности. В первые дни бумажные подложки обычно использовались для потребительских товаров, чувствительных к цене, в то время как FR-4 чаще использовался для промышленных изделий.

Однако по мере того, как потребительское оборудование становилось все меньше, легче и тоньше, использование листов FR-4 возросло. С распространением печатных плат стандартной толщины от 1,6 мм до 0,8 мм механическая прочность и влагостойкость бумажных подложек становятся проблемой. Кроме того, бумажная подложка не подходит для производства многослойных печатных плат, а с развитием миниатюризации оборудования плотность монтажа печатных плат становится все выше и выше, что также увеличивает долю многослойных печатных плат на рынке. В связи с этим, несмотря на относительно высокую стоимость плат FR-4, потребительские товары по-прежнему постепенно переходят на платы FR-4.

Фабрики по производству печатных плат широко использовали FR-4 и не использовали более дешевую бумажную подложку. Еще одна важная причина заключается в том, что бумажная подложка не подходит для процесса сверления, она подходит только для процесса штамповки, а FR-4 очень прост в обработке.

Благодаря постоянному расширению ассортимента эпоксидных смол и стеклоткани, стандартная подложка FR-4 стала недорогим материалом с отличными механическими характеристиками и технологичностью, что делает ее популярной среди производителей электроники с низкой и средней стоимостью по всему миру.

Показатели производительности FR4

Подложки FR-4 представляют собой системы из эпоксидных смол, поэтому значение Tg долгое время было наиболее распространенным значением, используемым для классификации марок подложек FR-4, а также является одним из наиболее важных показателей эффективности в спецификации IPC-4101.

Температура стеклования Tg

Значение Tg полимерной системы относится к точке изменения температуры, при которой материал переходит из относительно жесткого или "стеклообразного" состояния в деформируемое или размягченное. Это термодинамическое изменение всегда обратимо, пока смола не разлагается. Это означает, что когда материал нагревается от температуры окружающей среды до температуры выше значения Tg, а затем охлаждается ниже значения Tg, он может быть возвращен в жесткое состояние с теми же свойствами, что и раньше. Однако, когда материал нагревается до температуры, значительно превышающей его значение Tg, могут произойти необратимые фазовые изменения. Воздействие таких температур в значительной степени зависит от типа материала и степени термического разложения смолы.

В целом, чем выше Tg основного материала, тем выше надежность материала. При использовании бессвинцовой пайки также необходимо учитывать температуру термического разложения (Td) подложки.

Другие важные показатели эффективности включают коэффициент теплового расширения (КТР), водопоглощение, адгезионные характеристики материала и обычно используемые тесты на время расслаивания, такие как T260 и T288. 

Разнообразие материалов FR4

Подложки, в которых в качестве армирующего материала используется стеклоткань, система эпоксидных смол и класс огнестойкости UL 94V-0, соответствуют FR-4, так в чем же отличие между такой большой группой материалов?

В зависимости от значения Tg

Наиболее очевидной разницей между материалами FR-4 является значение Tg. В зависимости от температуры Tg листы FR-4 обычно подразделяются на листы с низким, средним и высоким содержанием Tg.

В промышленности FR-4 с Tg около 135°C обычно классифицируется как лист с низким содержанием Tg; FR-4 с Tg около 150°C классифицируется как лист со средним содержанием Tg; а FR-4 с Tg около 170°C классифицируется как лист с высоким содержанием Tg. Лист Tg.

Если печатная плата обрабатывается с большим временем прессования, или с большим количеством слоев печатной платы (более 14 слоев), или с высокой температурой пайки (≥ 230 ℃), или с высокой рабочей температурой (более 100 ℃), или с высокой термической нагрузкой при пайке (например, при пайке волной), следует выбрать лист с высоким Tg.

Поломка FR4

FR-4 можно разделить на:

Лист с обычными потерями (Df≥0,02)

Лист со средними потерями (0,01

Лист с низкими потерями (0,005

Лист с ультранизкими потерями (Df<0,005)

Различные материалы марки FR-4, поставляемые разными поставщиками листов FR-4, также отличаются по своим эксплуатационным характеристикам, а также по техническим характеристикам продукции марки FR4 одного и того же поставщика. Поэтому наиболее точное обозначение выбранного листа FR-4 должно соответствовать конкретной модели продукта конкретного поставщика материала FR-4, например ITEQ IT-180A, SangYi S1141.