Стеклотекстолит FR-4

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.

прокатка стеклоткани на станках
  • 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 мм0,5 мм и больше
Гарантированные значенияТипичные значенияГарантированные значенияТипичные 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 менееD-48/50
D-0,5/23
--4070
6. Среднее значение электрической прочности перпендикулярно слоям, kВ/мм не менееD-48/50
D-0,5/23
1,181,34--
7. Диэлектрическая проницаемость при частоте 1МГц, не болееС-40/23/505,44,55,44,5
8. Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1МГц, не болееС-40/23/500,0350,017--
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 менееD-48/50
D-0,5/23
60806080
11. ГорючестьС-48/23/50
E24/125+des
UL 94 VOUL 94 VOUL 94 VOUL 94 VO
12. Продольное и поперечное коробление, %, не болееA--10,18
13. Термоудар
До травления
После травления
Aнет дефектовнет дефектовнет дефектовнет дефектов
14. Термоудар в камере давленияAнет дефектовнет дефектовнет дефектовнет дефектов
15. Температура стеклования, TgA125°СDSC129°C
|Tg1-Tg2|<3°C
128°CDSC132°C
|Tg1-Tg2|<3°C