FR-4: материал, который используют все, но понимают немногие

29 июня 2026

Что такое FR-4

Не проводящие ток части печатной платы — обычно изготавливаются из пучков стекловолокна, пропитанных эпоксидной смолой. Самый распространённый тип ламината называется FR-4 (Flame Retardant 4, то есть «четвёртый класс с трудновоспламеняемыми свойствами»). Этот материал обладает свойствами, которые делают его пригодным для подавляющего большинства применений печатных плат. FR-4 — безусловно, самая популярная марка ламината, однако он далеко не так прост, однороден и предсказуем, как иногда кажется.

FR-4 представляет собой не один-единственный материал, а целую категорию материалов, чьи требования к производительности определены стандартами NEMA (Национальной ассоциации производителей электрооборудования США), начиная с 1960-х годов. Эти требования существенно эволюционировали за десятилетия. Даже многие разработчики печатных плат не осознают, какие значительные исследования и разработки постоянно инвестируются в эту, на первый взгляд, базовую составляющую электроники — совершенствуется химия, улучшается сырьё и, что особенно важно, снижается вариабельность продукта.

Какими свойствами должен обладать FR-4

Перечислим ключевые свойства, которые ожидаются от FR-4. 

Материал должен сохранять стабильные, однородные и предсказуемые характеристики даже после многократных циклов нагрева и охлаждения, в ходе которых он размягчается, течёт, а затем снова затвердевает. 

Он должен размягчаться ровно настолько, чтобы заполнить мельчайшие зазоры в меди, но не вытекать полностью под давлением. 

FR-4 обязан создавать прочные и долговечные связи (подобно клею) между слоями платы — между ламинатом, медью и паяльной маской. 

Кроме того, он должен существовать в виде жёстких сердцевин (cores) и очень тонких листов с разными свойствами текучести, а также обладать длительным сроком хранения. Как видите, требования к материалу весьма высоки.

Формы использования FR-4: Core и Prepreg

FR-4 поставляется в двух основных формах.

Core (сердцевина, ядро) — это полностью отверждённый ламинат, на одну или обе стороны которого уже наклеены листы меди. Core служит основой для изготовления двухслойной печатной платы.

Prepreg (препрег) — это частично отверждённые листы эпоксидной смолы. Отверждение и соединение слоёв происходит под воздействием тепла во время последующего прессования.

Core и препреги выпускаются различной толщины, что позволяет производителям создавать огромное количество вариантов построения слоёв (stackup). Для двухслойных плат используются готовые core, которые проходят химические и механические процессы для получения готовой платы. Для четырёх и более слоёв платы создаются путём штабелирования протравленных (и при необходимости просверленных) core с листами препрега (обычно двумя) между соседними медными слоями. Эта сборка нагревается и прессуется, в результате чего неотверждённая смола в препрегах плавится и вдавливается в зазоры между медными дорожками и в отверстия (например, в глухие и скрытые переходные отверстия). Так создаётся адгезия, которая не должна разрушаться в течение всего срока службы при соблюдении условий эксплуатации.

Иногда используется так называемый low-flow (или no-flow) препрег — с пониженной или нулевой текучестью. Как следует из названия, он течёт ровно настолько, чтобы скрепить слои, но не предназначен для заполнения пустот. Такой препрег мало усаживается по вертикали и мало расширяется по горизонтали при прессовании. Он полезен, например, при изготовлении гибких и полугибких плат, где требуется сохранить механическую границу без дополнительной подрезки.

Что может пойти не так

Обеспечение надёжности — зона ответственности производителя, который должен точно настроить процесс под используемые материалы. Всё начинается с логистики: препрег имеет ограниченный срок хранения, после чего его свойства деградируют. Производитель обязан использовать только «свежие» материалы, соответствующие спецификациям. Медный рисунок конкретной платы также имеет значение: больше меди и меньше зазоров означает более толстый слой; меньше меди и больше зазоров — более тонкий. При этом смола должна заполнить все крошечные промежутки между медными дорожками (например, между дифференциальными парами), чтобы плата работала корректно.

Несоблюдение этих условий ведёт к проблемам: зазоры, вызывающие несоответствие волнового сопротивления; расслоение меди и ламината; неравномерная металлизация отверстий и другие дефекты.

Стандарты IPC (в частности IPC-A-600) детально описывают возможные дефекты FR-4 и их допустимость для трёх классов печатных плат. Среди основных дефектов:

• Месление (measling) — разделение волокон в местах пересечения нитей стеклоткани.

• Крейзинг (crazing) — образование пустот между стеклянными волокнами внутри пучка (пряди).

• Расслоение и вздутие (delamination / blistering) — разделение в самом материале между слоями ткани, а также между материалом основы, медной фольгой или покрытием (например, паяльной маской).

Кроме того, возможны следующие явления: оголение стеклоткани (волокна видны из-за отсутствия смолы), текстура ткани (волокна просматриваются через тонкий слой смолы), разорванные или смещённые волокна, а также посторонние металлические или неметаллические включения, зажатые в изоляционном материале. Существуют нормативы на «ореол» (haloing) — шероховатость открытой поверхности после сверления и фрезеровки ламината.

Коэффициент теплового расширения (CTE)

Печатная плата в процессе жизни проходит через множество циклов нагрева и охлаждения. Точное количество циклов зависит от конструкции (количество медных слоёв, число сторон пайки компонентов) и условий эксплуатации. Кроме того, циклы возникают при перепайке и в процессе работы устройства. Плата должна выдержать все эти циклы и оставаться работоспособной.

Хотя плата выглядит монолитной, она состоит из нескольких материалов, каждый из которых реагирует на температуру по-своему. Количественная мера этой реакции — коэффициент теплового расширения (CTE). Он показывает, насколько материал расширяется при изменении температуры на 1°C. CTE обычно выражается в ppm/°C (миллионных долях от единицы длины на градус). Иногда общее расшиление выражается в процентах на диапазон температур (например, 3,3% в интервале 50–260°C).

Однородные материалы, такие как медь, имеют единственный CTE, поскольку расширяются одинаково во всех направлениях. Композитный материал (FR-4) должен иметь CTE, определённые для трёх осей: x, y и z. Если горизонтальная структура ткани одинакова по осям x и y, то CTEx и CTEy будут совпадать. Однако CTEz (по вертикали) существенно отличается, поскольку армирующие стекловолокна проходят только в горизонтальных направлениях. Кроме того, CTE должен быть указан отдельно для температур ниже и выше температуры стеклования (Tg).

Простой пример расчёта: если CTEx,y ламината составляет 17 ppm/°C, а площадь материала — 50×50 мм, то расширение по горизонтали составит (50 / 1 000 000) × 17 = 0,00085 мм/°C. При нагреве на 200°C это даст 0,17 мм.

Проблемы начинаются, когда материалы с разными CTE склеены вместе и нагреты. Представьте, что вы приклеили бумажную карточку (низкий CTE) к резинке (высокий CTE), а затем потянули за концы резинки — бумага треснет и порвётся. Аналогичный «разрыв» может происходить как внутри платы, так и на границе между платой и компонентами (в паяных соединениях).

Поскольку в вертикальном направлении нет стеклянного армирования, расширение смолы там становится основным фактором. Значения CTEz могут достигать 70 ppm/°C ниже Tg, но возрастать до 250 ppm/°C и выше выше Tg. Это ведёт к очень сильному расширению при превышении Tg (что практически всегда происходит при пайке). Особую тревогу вызывают металлизированные отверстия, образующие медные «заклёпки» (кольцевые площадки сверху и снизу, соединённые стенкой отверстия). CTE меди составляет около 17 ppm/°C, тогда как CTEz ламината значительно выше (CTEx,y обычно стараются сделать близкими к CTE меди). Это означает, что при повышении температуры ламинат расширяется больше, чем медь, что может вызвать трещины в стенках отверстий или отрыв контактных площадок. Риск возрастает с увеличением количества циклов и времени нахождения платы при высоких температурах.

Кроме того, возможно несовпадение CTE между горизонтальным расширением платы (CTEx,y) и припаянными к ней компонентами. Компоненты состоят из разных материалов, которые также расширяются по-разному. Например, BGA-корпус внутри самого себя может содержать плату, а интерфейс с основной платой осуществляется через крошечные шарики припоя. Несовпадение CTE может вызвать сдвиг и трещины в паяных соединениях, что приведёт к потере контакта или снижению долговременной надёжности изделия.

Что важно запомнить: композитные материалы могут иметь несколько спецификаций CTE, и разработчику необходимо убедиться, что он учитывает правильные значения для своего применения.

Температура стеклования (Tg)

FR-4 и другие типы ламинатов имеют свойство, называемое температурой стеклования (Tg). Это температура, при которой полимер меняет фазу из стеклообразного хрупкого состояния в вязкое резиноподобное. При температурах выше Tg происходит резкое увеличение CTE и, как следствие, рост объёма, занимаемого полимером. Наиболее часто используемый FR-4 имеет Tg около 130–140°C. Материалы становятся дороже и «экзотичнее» по мере повышения Tg (180°C считается высоким Tg, хотя, например, ламинаты семейства Rogers RO4000® могут иметь Tg 280°C).

В то время как CTE выше Tg важны в первую очередь для производителя, Tg сама по себе является важным параметром для конечного применения платы. Разработчик должен гарантировать, что температура окружающей среды (или локальная температура вблизи микросхемы) остаётся ниже Tg с некоторым запасом (каждый производитель определяет свой запас). В противном случае плата потеряет механические свойства и перестанет вести себя предсказуемо. Важно помнить, что Tg не является показателем термической стойкости или выносливости — для этого больше подходит температура деструкции (Td).

Стеклоткань: анизотропия и микро-DK

Стекловолокна, из которых состоит FR-4, не всегда одинаковы. Существует множество способов плетения стеклоткани. Можно варьировать количество волокон в пучке, толщину каждого пучка (их можно «сплющивать»), расстояние между прядями, а также устанавливать разные параметры для осей x и y (уток и основа соответственно). Кроме того, варьируется количество слоёв ткани на единицу толщины. Соотношение стекла и смолы в конкретном плетении FR-4 сильно влияет на CTE (смола имеет более высокий CTE, чем стекло) и на Tg (размягчается именно смола).

Более того, FR-4 является анизотропным материалом: он проявляет разные свойства в разных направлениях (дерево — хороший пример анизотропии: вдоль и поперёк волокон). Поэтому, вопреки распространённому предположению, относительная диэлектрическая проницаемость (εr/DK) тоже не является однородной (это иногда называют «микро-DK»). Как она может быть однородной, если в каждой точке соотношение и плотность стекла и смолы различаются? Это, конечно, может влиять на волновое сопротивление дорожек. На низких частотах проблема незначительна, но с ростом частоты сигналов усиливается эффект плетения стеклоткани (и связанный с ним «перекос», glass-weave skew). Разумеется, эти проблемы усугубляются при наличии ранее описанных дефектов FR-4 — вздутий, месления, крейзинга и т.п.

Другие важные свойства

Производители ламината FR-4 указывают и другие характеристики.

Температура деструкции (Td) — это температура, при которой материал теряет 5% своей массы в ходе контролируемого подъёма температуры. Td является мерой скорости деградации материала и важна при сборке с использованием высокотемпературных (например, бессвинцовых) процессов.

Время до расслоения (Time to Delamination) — показатель производительности материала. Обычно он указывается для трёх температур: 260°C (T260), 288°C (T288) и 300°C (T300). Как следует из названия, это время (в минутах) при каждой температуре, по истечении которого начинается расслоение — разрыв связей внутри ламината и с медью, ведущий к проблемам.

FR-4 чувствителен к влаге. При поглощении влаги меняются его характеристики: например, εr/DK увеличивается, а Tg снижается. Влага может поглощаться как в процессе производства, так и в полевых условиях, что потенциально ведёт ко многим обсуждавшимся проблемам (влажность также является фактором, способствующим развитию проводящей нитевидной анодной деградации — CAF, но это выходит за рамки данной статьи). В спецификации FR-4 должен быть указан процент влагопоглощения (по методике IPC-TM-650 2.6.2.1). Производители и сборщики должны обеспечивать, чтобы их процессы не вызывали дефектов. После изготовления разработчик должен учитывать и контролировать влияние влаги на своё изделие при сборке компонентов (для голых плат), при транспортировке и хранении.

Что это значит для разработчика продукта

Как ни соблазнительно думать о FR-4 как о единообразном материале, это не так. Между всеми существующими типами FR-4 есть значительные различия в параметрах, и разработчики вместе с производителями должны делать осознанный выбор.

К счастью, хорошие производители сами решают многие потенциальные проблемы, возникающие в процессе изготовления, и выбирают материалы, способные выдержать этот процесс. Они могут контролировать и оптимизировать производство, чтобы избежать проблем, и именно они несут ответственность за поставку рабочей и надёжной платы. Когда вопросы, связанные с типом или качеством ламината, имеют значение для вашего изделия, следует проконсультироваться с производителем о выборе материала, совместимого с его технологией.

Проблемы не заканчиваются на производстве платы: дополнительные тепловые циклы происходят при сборке компонентов и в «полевых» условиях. Поэтому сборщик компонентов также должен учитывать свойства FR-4, на который он будет устанавливать детали. Возможно, вам стоит обсудить тип FR-4, используемый вашим производителем плат, со сборщиком, чтобы убедиться в совместимости и способности выдерживать термоциклы. Либо выбрать услугу, которая включает и изготовление плат, и сборку компонентов — тогда весь процесс будет под контролем одного поставщика.

В конечном счёте, проанализируйте рабочую температуру вашей платы и локальные температуры вблизи компонентов, а также учтите возможность перепайки и установки дочерних плат. Приближаются ли эти температуры к Tg (каждый производитель ламината может указать необходимый запас ниже Tg)? Учтите всё это при выборе ламината и обсудите с вашими поставщиками.

О заводе «ЭлектроКоннект»

Завод печатных плат «ЭлектроКоннект» хорошо осознаёт, что FR-4 не является простым и однородным материалом. Мы тщательно подходим к выбору поставщиков ламината и препрегов, контролируем сроки их хранения и свежесть. Наше производство использует различные типы FR-4 со стандартным, средним и высоким Tg (вплоть до 170°C и выше), а также материалы с пониженной текучестью для гибких и полугибких конструкций. Контроль качества включает микрошлифы (microsections) для выявления возможных дефектов: месления, крейзинга, расслоения или оголения ткани. Предварительный расчёт стоимости и консультация технолога по выбору материала под ваши тепловые режимы и частотные требования — бесплатно. Заказать изготовление печатных плат можно для любых объёмов — от прототипов до крупных серий.