Стеклотекстолит FR-4

FR4 — это жесткий диэлектрический материал который состоит из основания — стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой. Обладает рядом важных свойств: огнеупорный, жёсткий, является диэлектриком. Аббревиатура FR образованная от англ. FR — огнеупорный (Fire Retardent). Материал способен к самозатуханию. Комбинация стеклоткани и эпоксидной смолы обладает отличными тепловыми, механическими и электрическими характеристиками. Изменяя структуру стеклоткани, можно менять электрические свойства, а изменяя состав эпоксидной смолы, появляется возможность повлиять на тепловые и механические.

Три стадии производства диэлектрика

Приготовление эпоксидной смолы

При приготовлении связующего вещества для пропитки используются эпоксидные смолы в сочетании с формальдегидными. Для придания огнеупорности применяются такие элементы как бром, галоген. На данном этапе самое главное - выдержать требуемую вязкость связующего.

Заливка стеклоткани эпоксидным материалом

Далее происходит прокатка стеклоткани на станках, наматывание в рулоны с погружением в ванну со связующим веществом. После смачивания рулона стеклоткани в ванне со связующим необходимо материал отжать и дать ему высохнуть. Сушка проводится при температуре не ниже 100°С. При этих условиях из стеклоткани испаряется фенол, спирт и влага. После этого материал нарезают на заготовки и приступают к следующему этапу - этапу прессования.

Прессование и придание формы

Заготовки снова нагревают, их выдерживают до отвердевания при повышенной температуре, а затем охлаждают. Таким образом стеклотекстолиту задаётся температура стеклования (Tg). После охлаждения стеклотекстолит часто нагревают еще раз, чтобы убрать в заготовке внутренние напряжения.

После этих трёх этапов дополнительно может производиться фольгирование медью. Это происходит в том случае, если FR4 будет использоваться для производства печатных плат.

FR4 обладает рядом важных характеристик, которые надо учитывать при выборе материала для печатных плат. Рассмотрим основные:

Основные характеристики FR4

Tg (glass transition temperature). В данном случае это температура стеклования эпоксидной основы печатной платы. Это означает, что нагревание печатной платы до этой температуры приведёт к тому, что основа платы станет менее хрупкой, более пластичной и мягкой, похожей на резину. Но нельзя путать это состояние с жидким. Основные температуры стеклования предлагаемых материалов FR4 - 135 и 180 °C.

Dk - диэлектрическая постоянная. Характеристика, определяющая применяемость этого материала. Смысл этой характеристики - отношение

силы взаимодействия двух электрических зарядов в среде к силе взаимодействия этих зарядов в вакууме. Диэлектрическая проницаемость всегда больше 1, так как всегда больше чем в вакууме.

Эта характеристика важна тем, кто занимается производством серьёзных комплексных устройств с применением высокочастотных элементов. К сожалению, не все марки FR4 могут похвастаться идеальной равномерностью распределения материалов внутри стеклотекстолита. Неоднородность возникает вследствие различной диэлектрической проницаемости стекловолокна и эпоксидной смолы. Для FR4 значение диэлектрической постоянной составляет 4-5.

Также важной характеристикой для производства печатных плат является и толщина требуемого диэлектрика. В зависимости от этого параметра производитель будет решать вопрос о технологии производства, количестве препрегов (склеивающих прокладок) и толщине ядра печатной платы.

Итак, для заказа печатной платы вам необходимо указать не только марку текстолита FR4, но и некоторые другие характеристики. Необходимо также указать температуру стеклования материала. В нашем случае это обычный FR4 или с повышенной температурой стеклования FR4 (Tg 180). Кроме этого нужно выбрать толщину платы (0,1 - 3мм), указать двустороннее фольгирование или одностороннее (в зависимости от применения вашей печатной платы) и толщину фольги.

Основные достоинства и недостатки стеклотекстолита FR 4

Достоинства:

Обладает оптимальными характеристиками и очень популярен.

Простое производство по сравнению с другими диэлектриками.

Цена - диэлектрик прост в изготовлении, соответственно и цена у него небольшая.

Механические характеристики - довольно прочен, огнестойкий. Класс огнестойкости 94V-0, соответствует стандарту IPC 4101V. Материал сохраняет механические, электрические и термические свойства практически при любой влажности. Абсолютно не впитывает влагу.

Недостатки:

У более дешевых марок FR4 диэлектрическая проницаемость может иметь случайное значение от 4 до 5.5. При производстве высокотехнологичной продукции и контроле импеданса необходимо выбирать более дорогой материал FR4, у которого диэлектрическая проницаемость «постоянна».

При резке образуются пыль из стеклоткани, которая вредна для здоровья человека. Поэтому на производстве устанавливается дополнительное оборудование для обеспечения безопасности работы сотрудников.

Помимо FR4 существует масса других дешёвых в производстве диэлектриков. Они все обладают различными характеристиками. Рассмотрим самые популярные и их главные отличия от диэлектрика FR4.

Предшественники FR4 — FR1, FR2, FR3. В качестве их основы используется бумага. Следовательно, они уступают FR4 по механическим характеристикам. К примеру, из-за того, что в качестве наполнителя используется бумага в FR-2, он менее стойкий к вибрациям и не может использоваться в автомобильной промышленности, поскольку при длительном воздействии вибрации возникает риск появления трещин.

G-10 - стеклотекстолит, используется стеклоткань, залитая эпоксидной смолой. Предшественник FR4. Добавки в смолу не использовались, поэтому материал не обладает характеристиками самозатухающей воспламеняемости, как FR4. Таким образом, FR4 заменил G10 в большинстве применений.

Существуют также платы с более хорошими характеристиками относительно FR4, но и стоят они, соответственно, дороже. К таким материалам, к примеру, относятся диэлектрики фирмы ROGERS в основном применяющиеся в СВЧ устройствах, где важно сохранение постоянства импеданса.

Глядя на количество предшественников, становится понятно, как индустрия производства диэлектриков пришла к тому, что наибольшим спросом пользуется именно FR4. FR4 обладает оптимальными электрическими, механическими и термическими характеристиками по приемлемой цене по сравнению с другими диэлектриками. Эти характеристики подходят под большинство применений для разработчиков печатных плат. Именно поэтому этот материал обрёл такую большую популярность среди разработчиков.

Технические характеристики FR-4

Тестируемая величина	Условия испытания по стан- дартам IPC	Толщина основания
		меньше чем 0,5 мм		0,5 мм и больше
		Гарантированные значения	Типичные значения	Гарантированные значения	Типичные значения
1. Прочность на отслаивание, Н/мм, не менее
А. Толщина фольги 18мкм
В исходном состоянии После термической нагрузки При повышенной температуре После воздействия гальванического р-ра	А А Е-2/125°С Е-2/125°С	1,09 1,09 0,73 0,82	1,45 1,45 1,27 1,27	1,09 1,09 0,73 0,82	1,45 1,45 1,27 1,27
B. Толщина фольги 35мкм
В исходном состоянии После термической нагрузки При повышенной температуре После воздействия гальванического р-ра	А А Е-2/125°С Е-2/125°С	1,45 1,45 0,91 1,27	1,81 1,81 1,63 1,63	1,45 1,45 0,91 1,27	1,81 1,81 1,63 1,63
2. Объемное сопротивление, МОмсм, не менее
После воздействия влажности После циклической термической нагрузки При повышенной температуре	С-96/35/90 F Е-24/125	1x10⁶ - 1x10³	1x10⁸ - 1x10⁶	- 1x10⁶ 1x10³	- 1x10⁸ 1x10⁶
3. Поверхностное сопротивление, МОм, не менее
После воздействия влажности После циклической термической нагрузки При повышенной температуре	С-96/35/90 F Е-24/125	1x10⁴ - 1x10³	1x10⁶ - 1x10⁶	- 1x10⁴ 1x10³	- 1x10⁶ 1x10⁶
4. Стабильность размеров, изменения не более
После травления После сушки	С-24/23/50 Е-0,5/105	0,05% 0,05%	0,035% 0,035%	- -	- -
5. Постоянное пробивное напряжение параллельно слоям, кВ, не менее	D-48/50 D-0,5/23	-	-	40	70
6. Среднее значение электрической прочности перпендикулярно слоям, kВ/мм не менее	D-48/50 D-0,5/23	1,18	1,34	-	-
7. Диэлектрическая проницаемость при частоте 1МГц, не более	С-40/23/50	5,4	4,5	5,4	4,5
8. Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1МГц, не более	С-40/23/50	0,035	0,017	-	-
9. Прочность на изгиб, тысяч колебаний, не менее
Продольные нити Поперечные нити	A A	- -	- -	60 50	80 65
10. Устойчивость к воздействию расплавленного припоя, сек, не менее	D-48/50 D-0,5/23	60	80	60	80
11. Горючесть	С-48/23/50 E24/125+des	UL 94 VO	UL 94 VO	UL 94 VO	UL 94 VO
12. Продольное и поперечное коробление, %, не более	A	-	-	1	0,18
13. Термоудар
До травления После травления	A	нет дефектов	нет дефектов	нет дефектов	нет дефектов
14. Термоудар в камере давления	A	нет дефектов	нет дефектов	нет дефектов	нет дефектов
15. Температура стеклования, Tg	A	125°С	DSC129°C \|Tg1-Tg2\|<3°C	128°C	DSC132°C \|Tg1-Tg2\|<3°C