FR4:Wann können Sie es verwenden und wann nicht

Gehe zu:

Was ist FR4-Substratmaterial?

Wie wird FR-4 in PCBs verwendet?

So wählen Sie die FR4-Dicke aus

Verwendung von FR4

Temperaturmanagement

Die Wahl treffen:FR4 vs. Hochfrequenzlaminat

Die meisten Elektroingenieure und Personen, die mit Leiterplatten zu tun haben, sind mit dem Material FR4 vertraut. FR4 ist das Rückgratmaterial, auf dem die meisten starren Leiterplatten aufgebaut sind. Viele wissen jedoch nicht, was FR4 ist, geschweige denn, warum es die beliebteste PCB-Basis ist.

Lesen Sie weiter, um mehr über FR4-Leiterplatten zu erfahren, z. B. was sie sind, warum sie so beliebt sind und wie die FR4-Leiterplattenspezifikationen im Vergleich zu anderen Optionen in der Branche abschneiden.

Was ist FR4-Substratmaterial?

FR4, auch als FR-4 geschrieben, ist sowohl ein Name als auch eine Standardbewertung. Der Name wird auf die glasfaserverstärkten, epoxidbeschichteten Platten angewendet, die in der Leiterplattenherstellung verwendet werden. Der Name fungiert jedoch auch als Güteklasse, die zur Bewertung von Epoxid-Laminatplatten verwendet wird. Die Bezeichnung gibt im Wesentlichen die Grundqualität einer Schichtstoffplatte an, d. h. eine Vielzahl von Plattenmaterialien und -designs fallen unter die FR4-Einstufung. Das „FR“ im Namen steht für Flammschutz, während die 4 das Material von anderen der gleichen Klasse unterscheidet.

Das allgemein als FR4 bezeichnete Material ist eine Verbundstruktur. Die grundlegendste Schicht des Materials ist Glasfaser, die zu einer dünnen, stoffähnlichen Schicht gewebt ist. Das Fiberglas verleiht FR4 die notwendige strukturelle Stabilität. Diese innerste Glasfaserschicht wird dann von einem schwer entflammbaren Epoxidharz umgeben und gebunden. Dieses Harz verleiht dem Material neben seinen anderen physikalischen Eigenschaften Steifigkeit.

FR4-Platten sind bei Elektroingenieuren und Designern als Basismaterial für Leiterplatten weit verbreitet. Die niedrigen Kosten und die Vielseitigkeit des Materials sowie seine Fülle an vorteilhaften physikalischen Eigenschaften sind für diese Beliebtheit verantwortlich. FR4-Platten sind elektrische Isolatoren mit hoher Durchschlagsfestigkeit. Sie zeichnen sich außerdem durch ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis aus und sind leicht und feuchtigkeitsbeständig. Fügen Sie dies zu ihrer relativen Temperaturbeständigkeit hinzu, und das FR4-Material kann unter den meisten Umgebungsbedingungen gut funktionieren.

Kostenloses Angebot anfordern

Wie wird FR-4 in PCBs verwendet?

Diese Eigenschaften machen FR4 zu einem idealen Standard-Substratmaterial für hochwertige PCB-Fertigungsprozesse. Bei richtiger Nutzung können diese Eigenschaften auch die Grundlage für hochwertige und kostengünstige Leiterplatten bilden.

Innerhalb einer Leiterplatte bildet FR4 das primäre isolierende Rückgrat. Dies ist die Basis, auf der die Herstellerfirma die Schaltung aufbaut. Nach der Vorbereitung wird die FR4-Platte unter Verwendung von Wärme und Klebstoff mit einer oder mehreren Lagen Kupferfolie laminiert. Dieses Kupfer bildet die Schaltkreise im fertigen Produkt und kann je nach Design der Platine ein- oder beidseitig bedeckt sein.

Komplexe Leiterplatten können mehr als eine Seite verwenden oder die Leiterplatte sogar schichten, um anspruchsvollere Schaltungen herzustellen. Von hier aus werden die Schaltkreise gezeichnet und herausgeätzt, bevor sie mit einer Lötmaskenschicht bedeckt werden, wodurch die Platine für die letzte Siebdruckschicht und den anschließenden Lötprozess vorbereitet wird.

Auswahl der FR4-Stärke

Bei der Bestellung einer Laminatplatte für ein PCB-Projekt muss der Designer oder Elektroingenieur die FR4-Dicke angeben. Dies wird in Einheiten auf Zollbasis gemessen, z. B. Tausendstel Zoll oder Tausend oder Millimeter, je nachdem, was für die Einstellung am besten geeignet ist. Die Dicke einer FR4-Folie variiert stark je nach den Anforderungen des Projekts, liegt jedoch in der Regel zwischen zehntausend und drei Zoll.

Während die Platinendicke beim Design einer Leiterplatte nicht unbedingt ein wesentlicher Faktor zu sein scheint, ist sie in Wirklichkeit ein wesentliches Merkmal. Die Plattendicke beeinflusst mehrere Aspekte der Funktionalität der Platte, weshalb mehrere Faktoren bei der Bestimmung der Dicke einer Platte für das Design berücksichtigt werden. Dazu gehören die folgenden.

1. Raum:Dünner kann besser sein

Wenn Platzprobleme für den Designer bestehen, ist eine dünnere FR4-Platine tendenziell vorzuziehen. Dies ist ein vorherrschender Faktor bei der Herstellung kleinerer Geräte wie USB-Anschlüsse und vieler Bluetooth-Zubehörteile. Selbst bei größeren Projekten werden kleinere FR4-Leiterplatten bevorzugt, um Platz im Gerät zu sparen.

2. Anschlüsse:Der falsche kann zu Schäden führen

Ein zweiseitiges PCB-Design erfordert einen Randverbinder, um die beiden Seiten zu verbinden. Dies kann ein wesentlicher einschränkender Faktor für die endgültige Größe der Leiterplatte sein, da Leiterplattenrandverbinder nur für einen bestimmten Satz von Leiterplattendicken geeignet sind. Der Steckteil eines Steckverbinders muss eng an der Seite der Leiterplatte anliegen, sonst besteht die Gefahr, dass die Leiterplatte verrutscht oder beschädigt wird. Dies ist einer der Hauptgründe, warum das Schaltungsdesign vor der Auswahl der Materialien für die Schaltung kommt.

3. Impedanzanpassung:Wesentlich für die Aufrechterhaltung der Board-Funktion

Jede mehrschichtige Platine wirkt auf benachbarten Schichten als Kondensator. Aus diesem Grund ist die Dicke dieser Platine so wichtig – die Dicke des PCB-FR4-Materials bestimmt die Dicke des Dielektrikums, was wiederum den Wert der Kapazität beeinflusst.

Dies ist ein besonders wichtiger Faktor für einige Hochfrequenz-Leiterplatten, wie z. B. HF- und Mikrowellendesigns. Hochfrequenzdesigns konzentrieren sich auf die Impedanzanpassung als wesentliche Komponente zur Aufrechterhaltung einer optimalen Platinenfunktion, daher ist es entscheidend, die richtige Kapazität für jede Schicht zu finden.

4. Flexibilität:Abhängig von der Anwendung

Dünnere Boards können sich in gewisser Weise biegen. Flexibilität ist zwar eine ungewöhnliche Eigenschaft, kann aber je nach Anwendung ein positives oder negatives Merkmal sein.

Bei einigen Anwendungen, bei denen das Produkt regelmäßig belastet oder gebogen wird, sind flexiblere Platten tendenziell vorzuziehen. Zum Beispiel bevorzugen diejenigen, die Leiterplatten für medizinische und Automobilanwendungen verwenden, häufig flexible Leiterplatten aufgrund der ständigen Belastung und Biegung, der diese Leiterplatten oft ausgesetzt sind.

Flexibilität kann sich jedoch nachteilig auf den Herstellungsprozess von Leiterplatten auswirken, was später bei der Bestückung zu ernsthaften Problemen führt. Wenn sie von einer Maschine gehandhabt wird, kann sich eine flexiblere Platine biegen, wenn sie von einer Lötmaschine gehandhabt wird, was dazu führt, dass die Komponente in einem Winkel gelötet wird. Darüber hinaus kann dieses Biegen frisch platzierte Komponenten und Verbindungen, die sich bereits auf der Platine befinden, beschädigen.

5. Konstruktionsanforderungen:Bestimmungsgemäße Verwendung wirkt sich auf FR4-Dicke aus

Dünne Platinen sind nicht in allen Fällen vorzuziehen, hauptsächlich aufgrund der Einschränkungen, die dünne Platinen auf PCB-Pläne setzen. Dünne FR4-Platten können praktisch keine Rillen aufweisen, und sie dürfen nicht zu groß sein, ohne dass Bruchgefahr besteht. Dickere Platten können jedoch beides erreichen. Berücksichtigen Sie dies immer, wenn Sie Optionen zwischen FR4-Dicken abwägen.

6. Komponentenkompatibilität:Kann mit einem kleinen Bereich funktionieren

Die Dicke einer Platine kann sich auch auf die Kompatibilität von Komponenten mit der Platine auswirken. Genau wie Kantenverbinder funktionieren viele Komponenten mit einem kleinen Bereich von Plattendicken. Dies gilt beispielsweise insbesondere für einige Durchgangslochkomponenten.

7. Gewicht:Leichtere Produkte können attraktiver sein

Die FR4-Dicke wirkt sich logischerweise auf das Gewicht der fertigen Leiterplatte aus. Während das Gewicht in einigen Anwendungen weniger ein Thema ist, spielt es in der Unterhaltungselektronik oft eine Rolle. Leichtere Leiterplatten sorgen für leichtere Produkte, wodurch sie billiger zu versenden und in einigen Fällen für Verbraucher attraktiver sind.

Wann sollte FR4 verwendet werden

Viele Elektronikanwendungen entscheiden sich für die Epoxid-basierte FR4-Platine. Ihre Stärke, Zuverlässigkeit und relativ niedrigen Kosten machen FR4-Epoxidsubstrate zu einer logischen Standardwahl für Elektronikingenieure. FR4 ist jedoch nicht für alle Situationen ideal, insbesondere nicht für Hochfrequenzdesigns. Für diese Designs sind Hochfrequenzlaminate die häufigere Wahl.

Die Wahl zwischen diesen Materialien kann schwierig sein, weshalb wir unten detailliertere Richtlinien auflisten.

Berücksichtigen Sie bei der Entscheidung, ob Sie eine Leiterplatte mit FR-4 oder einem Hochfrequenzlaminat bauen sollen, die folgenden Hauptmerkmale von jedem.

Kosten:FR4 wird günstiger

FR4-Material ist eine sehr gebräuchliche PCB-Basis, hauptsächlich wegen seiner relativ geringen Kosten. Hochfrequenzlaminate sind dagegen deutlich teurer, was für kostenbewusste Designer und Hersteller ein erheblicher Nachteil ist. Dies ist der primäre einschränkende Faktor für Unternehmen bei der Wahl zwischen FR4- und Hochfrequenzlaminaten.

Erhalten Sie Preise und Lieferzeiten

Signalverlust:Niedriger Df führt zu geringerem Signalverlust

Signalverlust ist in vielen Fällen ein kritischer Teil eines PCB-Designs, insbesondere in Hochfrequenzsituationen, in denen Signalverlust ein größeres Problem darstellt. Für diese Designs ist FR4 keine ideale Wahl – FR4 hat einen höheren Df oder Verlustfaktor als Hochfrequenzlaminate. Dies bedeutet, dass FR4-Schaltkreise einen stärkeren Signalverlust erleiden als ein identischer Schaltkreis auf einem Hochfrequenzlaminat.

Der Df von FR4 liegt bei etwa 0,020, während der Df der meisten Hochfrequenzlaminate bei etwa 0,004 liegt, ein Viertel des Df von FR4. Je niedriger der Df, desto weniger Signalverlust insgesamt. Das andere Problem ist, dass der Df von FR4 mit zunehmender Frequenz eines Signals zunimmt, was bedeutet, dass mit zunehmender Frequenz des Signals mehr Signalverlust auftritt. Da Hochfrequenzlaminate stabilere Df-Eigenschaften haben, erfahren sie weniger Verluste bei höheren Frequenzen.

Impedanzstabilität:Dk-Stabilität ist wichtig

Eine stabile Impedanz ist ein weiterer wichtiger Faktor für viele Designs, da sie oft eine besser vorhersagbare Leistung bedeutet, insbesondere bei größeren Schaltungen oder Hochfrequenzdesigns. Auch in diesem Bereich bieten FR4- und Hochfrequenzlaminate unterschiedliche Ergebnisse. Um eine stabile Impedanz aufrechtzuerhalten, muss ein Material eine stabile Dk oder Dielektrizitätskonstante über das gesamte Material aufrechterhalten, wenn sich die Temperatur des Materials ändert.

In dieser Hinsicht ist FR4 kein geeignetes Material zum Aufrechterhalten einer stabilen Impedanz, da sein Dk-Wert innerhalb einer einzelnen Platine stark variiert und sich die Temperatur der Platine ändert. Hochfrequenzlaminate haben nicht so große Dk-Werte, die bei Temperaturänderungen über die Fläche einer Platine ziemlich konstant bleiben.

Temperaturmanagement:

Die Temperaturleistung ist ein weiterer zu berücksichtigender Faktor bei der Wahl zwischen einer FR4-Platine oder einem Hochfrequenzlaminat für eine PCB-Basis. Beim Vergleich der Temperaturleistung bietet der thermische Koeffizient der Dielektrizitätskonstante ein anständiges Maß. Diese Zahl misst, wie stark sich die Dielektrizitätskonstante eines Materials mit der Temperatur ändert:

• Für FR4 liegt dieser Wert bei etwa 200 Teilen pro Million pro Grad Celsius Temperaturänderung
• Hochfrequenzlaminate weisen einen thermischen Koeffizienten der Dielektrizitätskonstante von etwa 40 Teilen pro Million pro Grad Celsius auf.

Obwohl beide wie kleine Zahlen erscheinen mögen, bieten sie sehr unterschiedliche Ergebnisse. Der signifikante Koeffizient von FR4 bedeutet, dass der Dk einer FR4-Platte über ihren Bereich hinweg erheblich variieren kann. Im Vergleich dazu weist der niedrigere Koeffizient für Hochfrequenzlaminate auf eine geringere Temperaturschwankung über die Fläche der Platine hin. Dies ist besonders wichtig, wenn Sie Boards entwerfen, die für heißere Umgebungen bestimmt sind.

Dielektrizitätskonstante:Wählen Sie den richtigen Dk-Wert

Manchmal kann die Dielektrizitätskonstante einer Leiterplatte genauso wichtig sein wie jedes andere Merkmal einer Platine. Die Dielektrizitätskonstante einer Leiterplatte wirkt sich auf die Größe der Übertragungsleitungen einer Schaltung aus, insbesondere in Hochfrequenzschaltungen wie HF- oder Mikrowellendesigns. Je kleiner die Übertragungsleitungen sein können, desto kleiner ist die Schaltung selbst.

Wenn daher eine kleinere Leiterplattengröße erwünscht ist, ist ein Leiterplattenmaterial mit einem höheren Dk-Wert die beste Wahl. FR4 weist eine Dielektrizitätskonstante von etwa 4,5 auf, was niedriger ist als die Dk von Hochfrequenzmaterialien, die normalerweise zwischen 6,15 und 11 liegt. Die Verwendung dieser hochwertigen Dk-Materialien kann zu erheblichen Ergebnissen führen und die Größe um 25 Prozent oder mehr verringern Endplatine.

Betriebsumgebung:

Die Betriebsumgebung für die Schaltung ist eine weitere Sache, die bei der Wahl zwischen einer FR4- und einer Hochfrequenz-Laminatplatine zu beachten ist. Dazu gehören die Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit und Temperatur. In beiden Fällen bieten Hochfrequenzlaminate eine höhere Feuchtigkeits- und Hitzebeständigkeit als FR4, was bedeutet, dass die Betriebsumgebung deutlich weniger Einfluss auf die Funktion der Schaltung hat. Dies ist eine kritische Überlegung, wenn die Leiterplatte im Freien oder in extremen Industrieumgebungen betrieben wird.

Kurz gesagt, Hochfrequenzlaminate weisen ein breites Spektrum an physikalischen Eigenschaften auf, von denen viele FR4 überlegen sind. Der einzige Nachteil von Hochfrequenzlaminaten gegenüber FR4 sind die relativ höheren Kosten, was ein wichtiger Faktor für kostenorientierte Designer ist. Die große Entscheidung ist dann, wenn die Vorteile die Kosten von Hochfrequenzlaminaten überwiegen.

Die Wahl treffen:FR4 versus Hochfrequenzlaminat

Wie kann also ein Elektroingenieur oder PCB-Designer unter Verwendung aller oben aufgeführten Informationen zwischen FR4 und einem Hochfrequenzlaminat wählen? Zunächst muss der Designer die elektrischen und mechanischen Anforderungen für die endgültige Leiterplatte auflisten und vergleichen, wobei er möglichst spezifische Parameter verwendet. Der Konstrukteur muss dann prüfen, wie gut FR4 diese Parameter im Vergleich zu einem Laminat erfüllt, das für die Verarbeitung von Hochfrequenzsignalen ausgelegt ist. Genauere Daten für jeden der oben genannten Punkte sind anhand von Branchendatenblättern leicht verfügbar.

Kurz gesagt, FR4 ist ein weithin relevantes Material, das vor allem wegen seiner geringen Kosten und relativen mechanischen und elektrischen Stabilität beliebt ist. Während das FR4-Material umfangreiche Vorteile bietet und in einer Vielzahl von Dicken und Größen erhältlich ist, ist es nicht für jede Anwendung die beste Wahl, insbesondere nicht für Hochfrequenzanwendungen wie HF- und Mikrowellendesigns. In letzteren Fällen ist ein Hochfrequenzlaminat die bessere Wahl. Dennoch ist es leicht zu verstehen, warum FR4 bis heute so häufig verwendet wird.

Wenden Sie sich an Millennium Circuits Limited, um herauszufinden, was Ihren Anforderungen entspricht

Wenn Sie nach FR4-Leiterplatten oder Platinen aus anderen Materialien suchen, kann Millennium Circuits Limited Ihnen helfen. MCL liefert hochwertige Platinen und Schaltungen in jeder Menge, bei höchster Qualität und pünktlicher Lieferung. Seit 2005 ist unser Unternehmen in Harrisburg, PA, stolz darauf, qualitativ hochwertige Dienstleistungen anzubieten, die den höchsten internationalen Standards entsprechen. Wir bieten sogar technischen Support und einen wettbewerbsfähigen Preisplan.

Sehen Sie, warum MCL 98 % Zustimmung in der Qualität und 99 % Zustimmung in der Lieferleistung erzielt. Kontaktieren Sie uns noch heute für ein schnelles, unverbindliches Angebot, um zu erfahren, wie MCL Ihnen helfen kann.

Kostenloses Angebot anfordern