مادة FR4 PCB: الخصائص، وثابت العزل الكهربائي، وCTE، ودليل ورقة البيانات

ما هو FR4؟ التعريف ومكانة الصناعة

FR4 - المكتوب أيضًا FR-4 - هو المادة الأساسية الأكثر استخدامًا على نطاق واسع للوحات الدوائر المطبوعة في جميع أنحاء العالم. التسمية تعني مثبطات اللهب نوع 4 ، وهو تصنيف درجة تحدده الرابطة الوطنية لمصنعي الأجهزة الكهربائية (NEMA) بموجب معيار LI 1. تحدد هذه المواصفة تقوية قماش الألياف الزجاجية المنسوجة المضمنة في مصفوفة راتنجات الإيبوكسي، مع نظام مثبطات اللهب المعتمد على البروم أو الفوسفور المدمج في الراتينج لتلبية متطلبات القابلية للاشتعال يو ال 94 فولت-0.

لقد كان FR4 هو المسيطر مادة ثنائي الفينيل متعدد الكلور منذ سبعينيات القرن العشرين، حلت محل شرائح الورق الفينولية السابقة (FR1، FR2) ومركبات القطن والزجاج (FR3) في جميع تطبيقات الإلكترونيات السائدة تقريبًا. إن مزيجها من أداء العزل الكهربائي، والقوة الميكانيكية، واستقرار الأبعاد، ومقاومة الرطوبة، وقابلية المعالجة بتكلفة تنافسية لا يزال لا مثيل له من قبل أي مادة بديلة واحدة بنقاط سعر قابلة للمقارنة. يقدر 90% أو أكثر من جميع لوحات دوائر ثنائي الفينيل متعدد الكلور الصلبة يتم إنتاجه عالميًا باستخدام FR4 أو تركيبة مشتقة كركيزة.

يشير المصطلح "FR4" تقنيًا إلى المادة المصفحة - القاعدة العازلة - وليس اللوحة النهائية. ان FR4 ثنائي الفينيل متعدد الكلور مجلس أو لوحة الدوائر المطبوعة FR4 عبارة عن لوح مكتمل تكون فيه الركيزة عبارة عن صفائح FR4، ويتم ربط طبقات رقائق النحاس بأحد السطحين أو كليهما، ويتم تشكيل آثار موصلة ومنصات وعبر من خلال عمليات الحفر والحفر.

خصائص المواد FR4: الملف الفني الكامل

تختلف خصائص مادة FR4 إلى حد ما بين الشركات المصنعة والتركيبات المحددة، لكن القيم الواردة أدناه تمثل النطاق القياسي المحدد لصفائح FR4 للأغراض العامة كما هو محدد في الصفائح المائلة IPC-4101 /21 و/24 (الدرجات التجارية الأكثر شيوعًا). يشير مهندسو التصميم إلى ورقة بيانات المواد FR4 ينبغي التعامل مع القيم الخاصة بالشركة المصنعة على أنها موثوقة لأي منتج معين، ولكن الأرقام الواردة أدناه موثوقة لحسابات التصميم الأولية.

خصائص عازلة

ال ثابت العزل الكهربائي FR4 - وتسمى أيضًا السماحية النسبية (Dk أو εr) - وهي إحدى المعلمات الأكثر مرجعية في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور. فهو يحدد سرعة انتشار الإشارة ومعاوقة آثار المعاوقة الخاضعة للرقابة. معيار FR4 لديه ثابت العزل الكهربائي حوالي 4.2-4.6 يتم قياسه عند 1 ميجاهرتز، ويُشار إليه عادةً بـ 4.3 أو 4.4 كمرجع للتصميم. عند الترددات الأعلى (1 جيجا هرتز). ثابت العزل الكهربائي النسبي FR4 ينخفض عادةً إلى النطاق 4.0-4.2 بسبب تشتت التردد في مركب زجاج الإيبوكسي.

يعد الاعتماد على التردد أحد القيود الحاسمة لمعيار FR4 في التصميم الرقمي عالي السرعة وتصميم الترددات اللاسلكية. أعلى من 1-2 جيجا هرتز تقريبًا، يكون الاختلاف في السماحية النسبية لـ FR4 مع التردد يصبح كبيرًا بما يكفي للتسبب في مشاكل في سلامة الإشارة - تباين تأخير الانتشار، وانحراف الزوج التفاضلي، وانحراف المعاوقة عن القيمة الاسمية. تعالج متغيرات FR4 منخفضة الخسارة والشرائح عالية التردد المصممة خصيصًا لهذا الغرض (Rogers، Isola، Taconic) هذه المشكلة بتكلفة أعلى.

ال dissipation factor (Df, loss tangent) of standard FR4 is 0.017-0.025 عند 1 ميجاهرتز ، ترتفع مع التردد. للمقارنة، فإن Rogers RO4003C لديه Df قدره 0.0027 - تقريبًا أقل من حيث الحجم - وهذا هو السبب في أن المعيار FR4 عازلة لا يتم استخدام المادة في تطبيقات الموجات الدقيقة أو الموجات المليمترية.

الخواص الميكانيكية

FR4 عبارة عن صفائح صلبة وصلبة ذات قوة انثناء جيدة:

• قوة الانثناء (بالطول): 415-550 ميجا باسكال
• قوة الشد: 310-410 ميجا باسكال (بالطول)
• معامل يونغ (في الطائرة): حوالي 18-24 جيجا باسكال
• قوة الضغط: 415 ميجا باسكال (عمودي على الصفائح)
• صلابة روكويل (مقياس M): 110

الse values make FR4 substantially stronger than thermoplastic PCB substrates and sufficiently rigid for automated PCB assembly processes including pick-and-place, wave soldering, and reflow without requiring fixture support for standard board thicknesses (1.0–3.2 mm).

الrmal Properties

الrmal performance is the most commonly cited limitation of FR4 in power electronics and high-dissipation applications:

• الrmal conductivity of FR4: 0.25–0.35 واط/(م·ك) في الطائرة؛ حوالي 0.3 واط/(م·ك) عموديًا على الصفائح. وهذا منخفض جدًا مقارنة بالألمنيوم (205 واط/(م·ك)) أو النحاس (385 واط/(م·ك)))، ولهذا السبب يتم استخدام المجاري الحرارية، وصب النحاس، وركائز ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذو النواة المعدنية في التصميمات التي تتطلب حرارة.
• درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg): معيار FR4 - 130-140 درجة مئوية؛ منتصف Tg FR4 - 150-160 درجة مئوية؛ ارتفاع Tg FR4 - 170-180 درجة مئوية. فوق Tg، تصبح مصفوفة الإيبوكسي أكثر ليونة وتفقد المادة ثبات الأبعاد. تبلغ عمليات اللحام الخالية من الرصاص ذروتها عند 260 درجة مئوية، ولهذا السبب تم تحديد Tg FR4 العالي للتركيبات المتوافقة مع RoHS.
• درجة حرارة التحلل (Td): 300-340 درجة مئوية للدرجات القياسية؛ أعلى من 340 درجة مئوية للتركيبات الخالية من الهالوجين عالية الموثوقية.
• القدرة الحرارية المحددة: حوالي 1.0–1.1 جول/(جم·ك)

معامل التمدد الحراري (CTE من FR4)

ال CTE of FR4 متباين الخواص - ويختلف بشكل كبير بين الاتجاهين داخل المستوى (x-y) وخارج المستوى (المحور z):

• CTE س ص (في الطائرة): 14-17 جزء في المليون/درجة مئوية (أقل من Tg)
• CTE المحور z (السمك): 50-70 جزء في المليون/درجة مئوية (أقل من Tg)؛ 200-300 جزء في المليون/درجة مئوية فوق Tg

ال high z-axis CTE is the principal cause of barrel cracking in plated through-holes (PTH) during thermal cycling. The z-axis expansion stresses the copper barrel of the via, which has a CTE of only 17 ppm/°C, creating fatigue cracks at the knee radius after repeated thermal excursions. This is a design-life concern in high-cycle environments such as automotive and industrial electronics, and it drives the specification of high-Tg or halogen-free FR4 variants with lower z-axis CTE.

الخصائص الفيزيائية

• كثافة المواد FR4: 1.85-1.95 جم/سم3 (يشار إليه عادةً بـ 1.9 جم/سم مكعب للإيبوكسي الزجاجي القياسي FR4). ال كثافة مادة FR4 يتم تحديده في المقام الأول من خلال جزء حجم الألياف الزجاجية ونظام الراتنج. محتوى الزجاج العالي يزيد من الكثافة؛ يمكن للراتنجات الخالية من الهالوجين مع أحمال حشو مختلفة أن تغير الكثافة قليلاً.
• امتصاص الماء (غمر لمدة 24 ساعة): 0.10-0.20% بالوزن - منخفض بما يكفي للحفاظ على أداء العزل الكهربائي في معظم بيئات التشغيل
• مقاومة الحجم: 10⁸–10¹⁰ مΩ·سم
• المقاومة السطحية: 10⁴–10⁶ مΩ
• قوة انهيار عازلة: 20-50 كيلو فولت/مم (عمودي على الصفائح)
• تصنيف القابلية للاشتعال: يو ال 94 فولت-0

ما هو PCB التخطيط وكيف تؤثر خصائص FR4 على قرارات التصميم

تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور هي عملية وضع المكونات الإلكترونية وتوجيه الآثار النحاسية والطائرات والمنافذ التي تربطها كهربائيًا على لوحة الدوائر المطبوعة. يتم تنفيذ التخطيط باستخدام برنامج EDA (أتمتة التصميم الإلكتروني) بعد الالتقاط التخطيطي وهي المرحلة التي تؤثر فيها الخصائص الفيزيائية لمادة الركيزة - بما في ذلك ثابت العزل الكهربائي لـ FR4، والتوصيل الحراري، وCTE - بشكل مباشر على خيارات التصميم.

ال four FR4 properties most directly relevant to PCB layout decisions are:

• ثابت العزل الكهربائي (Dk): يحدد مقاومة آثار microstrip وstripline. يتطلب تتبع شريط ميكرو 50 أوم على FR4 القياسي (Dk ≈ 4.3) حساب عرض مختلف عن نفس التتبع على Rogers RO4003C (Dk = 3.55). يجب أن تستخدم حاسبات المعاوقة قيمة Dk الصحيحة لصفائح FR4 المحددة التي تم تحديدها، وليس رقمًا عامًا.
• الrmal conductivity: الموصلية الحرارية المنخفضة (0.3 واط/(م·ك)) تعني أن الحرارة المتولدة عن المكونات تنتشر بشكل سيئ عبر اللوحة. يجب أن يعوض التخطيط بتصميم التنفيس الحراري، ومناطق صب النحاس المتصلة بالمستويات الأرضية، والحرارة عبر المصفوفات تحت مكونات عالية التشتيت مثل دوائر MOSFET الخاصة بالطاقة، والمنظمات، ومضخمات طاقة التردد اللاسلكي.
• عدم تطابق CTE: إن ~ 14-17 جزء في المليون / درجة مئوية CTE داخل الطائرة لـ FR4 قريب من CTE للعديد من حزم IC (السيليكون: ~ 2.6 جزء في المليون / درجة مئوية ؛ السيراميك: ~ 6-7 جزء في المليون / درجة مئوية ؛ حزم BGA المتطابقة مع FR4: ~ 14-16 جزء في المليون / درجة مئوية). بالنسبة للمكونات التي تعاني من عدم تطابق CTE بشكل كبير، فإن تطبيق الملء السفلي، واختبار الدورة الحرارية وفقًا لـ IPC-9701، ووضع المكونات بعيدًا عن نقاط ضغط اللوحة (الزوايا، وفتحات التثبيت) هي ممارسات تخطيط قياسية.
• ظل الخسارة: يزداد توهين الإشارة في FR4 بشكل حاد مع التردد بسبب ارتفاع Df نسبيًا. بالنسبة للأزواج التفاضلية التي تحمل إشارات أعلى من 2-3 جيجابت في الثانية، فإن تقليل طول التتبع وتقليل انتقالات الطبقة والنظر في متغيرات FR4 منخفضة الخسارة هي إستراتيجيات تخفيف على مستوى التخطيط قبل التبديل إلى مادة ركيزة مختلفة تمامًا.

متغيرات FR4: مقارنة قياسية وعالية Tg وخالية من الهالوجين وFR1

ليس كل شيء مادة لوحة الدائرة FR4 يعادل. يغطي التعيين الأساسي مجموعة من التركيبات ذات ملفات أداء مختلفة بشكل كبير اعتمادًا على نظام الراتنج وكيمياء الحشو.

معيار FR4 (تيراغرام 130-140 درجة مئوية)

ال baseline formulation, adequate for consumer electronics, general industrial, and telecom applications processed with tin-lead solder (peak reflow ~220°C). Not recommended for lead-free reflow without confirmation that the specific laminate product is rated for 260°C peak process temperatures.

ارتفاع تيراغرام FR4 (تيراغرام 170-180 درجة مئوية)

تم تركيبه باستخدام راتنجات إيبوكسي معدلة (غالبًا مزيج إيبوكسي متعدد الوظائف أو مزيج إستر سيانات) الذي يرفع Tg إلى 170-180 درجة مئوية. يوفر هذا هامشًا حراريًا أكبر للمعالجة الخالية من الرصاص، ويقلل من CTE للمحور Z، ويحسن مقاومة التصفيح في الألواح متعددة الطبقات ذات الكثافة العالية. High-Tg FR4 هي المواصفات القياسية في تطبيقات السيارات والصناعية والخوادم والتطبيقات العسكرية المجاورة.

خالي من الهالوجين FR4

يستخدم FR4 التقليدي مثبطات اللهب القائمة على البروم (tetrabromobisphenol A، TBBPA) التي تولد غاز بروميد الهيدروجين السام عند حرقه. تستبدل المتغيرات الخالية من الهالوجين هذه بأنظمة مثبطات اللهب من الفوسفور والنيتروجين أو ثلاثي هيدروكسيد الألومنيوم (ATH). يحتوي FR4 الخالي من الهالوجين على نسبة Dk أقل (عادةً 3.8-4.2) وخواص ميكانيكية مختلفة قليلاً عن نظائرها المبرومة. يتم فرضه بشكل متزايد في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية الأوروبية بموجب أطر عمل RoHS وREACH وفي بعض سلاسل توريد السيارات.

مادة ثنائي الفينيل متعدد الكلور FR1 مقابل FR4

ثنائي الفينيل متعدد الكلور FR1 عبارة عن صفائح من الورق الفينولي - ركيزة ورقية مشربة براتنج الفينول - بدلاً من مركب من الألياف الزجاجية والإيبوكسي. إنه أرخص بكثير من FR4، ويثقب بشكل نظيف بدلاً من المثقاب، ويستخدم في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور البسيطة أحادية الجانب للتطبيقات الحساسة من حيث التكلفة مثل أجهزة التحكم عن بعد، وإلكترونيات الألعاب، ولوحات إمداد الطاقة البسيطة. يتمتع FR1 بعزل كهربائي أقل بكثير، ومقاومة للرطوبة، وقوة ميكانيكية مقارنة بـ FR4 لوحة الدائرة المواد، وهي غير مناسبة للبناء متعدد الطبقات، أو وضع المكونات الدقيقة، أو أي تطبيق يتطلب الموثوقية في ظل التدوير الحراري أو التعرض للرطوبة.

عندما لا تكون FR4 هي مادة ثنائي الفينيل متعدد الكلور المناسبة

ورغم هيمنتها.. مادة ثنائي الفينيل متعدد الكلور FR4 لديها حدود تطبيق محددة جيدا. إن فهم أوجه القصور يساعد المهندسين على تحديد الركيزة الصحيحة في البداية بدلاً من اكتشاف القيود أثناء الاختبار.

• الترددات اللاسلكية والميكروويف (أعلى من 1-2 جيجا هرتز): إن Dk و Df العالي المعتمد على التردد الخاص بـ FR4 يجعله غير مناسب للهوائيات الصغيرة والواجهات الأمامية للرادار وشبكات مطابقة التردد اللاسلكي فوق ترددات منخفضة جيجاهرتز. يتم استخدام شرائح قائمة على PTFE (Rogers، Taconic)، وشرائح هيدروكربونية مملوءة بالسيراميك (سلسلة Rogers RO4000)، ومواد إيبوكسي معدلة منخفضة الخسارة بدلاً من ذلك.
• مصابيح LED عالية الطاقة وإلكترونيات الطاقة: تخلق الموصلية الحرارية المنخفضة لـ FR4 (0.3 واط/(م·ك)) درجات حرارة وصلات غير مقبولة في تصميمات الطاقة عالية الكثافة. تعد مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات النواة المعدنية (MCPCB) ذات النوى المصنوعة من الألومنيوم أو النحاس (الموصلية الحرارية 1.0–3.0 واط/(م·ك) للطبقة العازلة، بالإضافة إلى النواة المعدنية) قياسية لإضاءة LED، ومحركات المحركات، ولوحات محول DC-DC مع متطلبات كبيرة لتبديد الحرارة.
• الدوائر المرنة: FR4 جامد. تستخدم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور المرنة والجامدة ركيزة بوليميد (Kapton)، والتي توفر عزلًا كهربائيًا مشابهًا ومرونة أكبر بكثير ونطاق درجة حرارة أوسع (-200 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية متواصلة).
• درجات حرارة التشغيل العالية فوق 130 درجة مئوية متواصلة: يحد معيار FR4 Tg من درجة حرارة التشغيل المستمرة إلى أقل بكثير من قيمة Tg. شرائح بوليميد، ركائز السيراميك، أو شرائح متخصصة عالية Tg مطلوبة للتشغيل المستمر في درجات الحرارة العالية.

قراءة ورقة بيانات المواد FR4: ما يجب التحقق منه

ان ورقة بيانات المواد FR4 عادةً ما تقوم شركة تصنيع الصفائح (Isola، وShengyi، وKingboard، وNan Ya، وVentec، وPanasonic) بإدراج الخصائص عبر العديد من شروط القياس. فيما يلي القيم التي يحتاجها المهندسون بشكل شائع وما يجب مراعاته عند مقارنة المنتجات.

• تردد قياس Dk و Df: تحقق دائمًا من التردد الذي يتم فيه الإبلاغ عن ثابت العزل الكهربائي. إن قيمة Dk التي تبلغ 4.5 عند 1 ميجاهرتز و4.1 عند 1 جيجاهرتز على نفس المادة صحيحة - فهي تصف ظروفًا مختلفة. بالنسبة لعمل سلامة الإشارة، استخدم القيمة عند تردد التصميم أو أعلى توافق تشغيل.
• طريقة قياس تيراغرام: يمكن قياس Tg بواسطة DSC (قياس السعرات الحرارية بالمسح التفاضلي)، أو DMA (التحليل الميكانيكي الديناميكي)، أو TMA (التحليل الميكانيكي الحراري)، والتي تعطي نتائج رقمية مختلفة لنفس المادة. عادةً ما يعطي كالوريمتر المسح الضوئي التفاضلي (DSC) أدنى قراءة؛ DMA يعطي أعلى مستوى. يحدد IPC-4101 طريقة الاختبار لكل ورقة مائلة، لذا قم بالمقارنة فقط ضمن نفس الطريقة.
• الrmal conductivity measurement direction: الموصلية الحرارية داخل الطائرة لـ FR4 أعلى من السماكة. لحسابات انتشار الحرارة، استخدم قيمة السماكة (اتجاه Z)؛ بالنسبة للتصميمات التي يتم إجراؤها على الحافة، استخدم القيمة الموجودة في المستوى.
• التوافق مع الورقة المائلة IPC-4101: يخبرك رقم الورقة المائلة بالحد الأدنى لفئة الأداء التي تلبيها الطبقة الخشبية. /21 هو معيار FR4 التجاري؛ /24 أعلى من Tg؛ /26 خالي من الهالوجين عالي Tg. يؤدي تحديد شريحة مائلة بدلاً من "FR4" فقط إلى منع الاستبدال بمواد منخفضة الجودة دون علمك.
• مقاومة الكاف: يتم تحديد مقاومة الخيوط الأنودية الموصلة (CAF) - القدرة على مقاومة النمو الكهروكيميائي لخيوط النحاس على طول واجهة الألياف الزجاجية والراتنج تحت انحياز الجهد الكهربي في الظروف الرطبة - بشكل متزايد في تصميمات السيارات وذات الموثوقية العالية. لا تتضمن كافة أوراق بيانات FR4 بيانات CAF؛ اطلب ذلك صراحةً عند التصميم للبيئات ذات الرطوبة العالية أو الجهد العالي.