FR-4 ialah bahan yang paling biasa digunakan untuk papan litar bercetak, terdiri daripada gentian kaca dan resin epoksi. Ia kuat, ringan, dan memberikan penebat yang baik, menjadikannya paling sesuai untuk banyak elektronik. Artikel ini menerangkan struktur, sifat, gred, had dan faktor reka bentuk FR-4, memberikan maklumat terperinci tentang bila dan bagaimana ia harus digunakan.
Gambaran Keseluruhan FR-4
FR-4 ialah bahan yang paling biasa digunakan untuk membuat papan litar bercetak (PCB). Ia diperbuat daripada gentian kaca dan resin epoksi, yang menjadikannya kuat dan baik dalam penebat elektrik. FR bermaksud kalis api, bermakna ia boleh menahan pembakaran, tetapi ini tidak selalu bermakna ia memenuhi piawaian keselamatan kebakaran UL 94 V-0 yang ketat.
Bahan ini popular kerana ia ringan, tahan lama dan berpatutan. Ia juga melakukan kerja yang baik untuk menahan kelembapan dan haba, yang membantu litar elektronik kekal stabil. Satu lagi sebab FR-4 digunakan ialah ia boleh dibentuk dengan mudah menjadi papan satu lapisan atau berbilang lapisan tanpa menambah banyak kos.
Struktur Lamina FR-4
Imej ini menunjukkan struktur berlapis lamina FR-4; bahan yang paling biasa digunakan dalam papan litar bercetak (PCB). Di bahagian atas dan bawah, kepingan kerajang tembaga membentuk lapisan konduktif yang kemudiannya akan terukir ke dalam corak litar. Di antara kepingan tembaga ini terletak teras: fabrik kaca tenunan yang diresapi dengan resin epoksi. Tenunan kaca memberikan kekuatan mekanikal dan kestabilan dimensi, manakala epoksi mengikat gentian dan menambah ketegaran. Bersama-sama, mereka mencipta asas penebat namun tahan lama. Gabungan kerajang tembaga, gentian kaca dan epoksi menjadikan FR-4 kuat, tahan api, dan sesuai untuk menyokong dan melindungi kesan PCB.
Sifat Elektrik FR-4
| Parameter | Julat FR-4 |
|---|---|
| Pemalar Dielektrik (Dk) | 3.8 – 4.8 |
| Faktor Pelesapan (Df) | \~0.018 – 0.022 |
| Kekuatan Dielektrik | >50 kV/mm |
| Kestabilan | Berbeza mengikut kekerapan dan tenunan kaca |
Sifat Terma FR-4
| Hartanah | FR-4 Standard | FR-4 Gred Tinggi |
|---|---|---|
| Suhu Peralihan Kaca (Tg) | 130–150 °C | ≥180 °C |
| Suhu Penguraian (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Masa untuk Delaminasi (T260 / T288) | Rintangan yang lebih rendah | Rintangan yang lebih tinggi |
Pilihan Ketebalan dan Stackup FR-4
| Ketebalan / Jenis | Kelebihan | Batasan | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nipis (<0.5 mm) | Ringan, padat dan boleh dibuat fleksibel | Rapuh, lebih sukar untuk dikendalikan semasa pemasangan | Standard (1.6 mm) | Lalai industri, tersedia secara meluas, kos efektif | Boleh mengehadkan reka bentuk ultra-padat atau berketumpatan tinggi | Tebal (>2 mm) | Memberikan kekakuan dan rintangan yang lebih baik terhadap getaran | Meningkatkan berat dan kos keseluruhan |
| Susunan Berbilang Lapisan Tersuai | Membolehkan kawalan impedan, menyokong isyarat berkelajuan tinggi dan meningkatkan perisai EMI | Memerlukan proses fabrikasi yang tepat, lebih mahal |
Menggunakan FR-4 untuk Reka Bentuk PCB
• Elektronik Pengguna - Ia menyediakan bahan asas yang stabil yang boleh mengendalikan penggunaan harian dan keperluan kuasa asas.
• Kawalan dan Automasi Perindustrian - FR-4 menawarkan prestasi yang stabil dalam sistem yang memerlukan ketahanan dan fungsi yang konsisten dari semasa ke semasa.
• Bekalan Kuasa dan Penukar - Untuk litar yang berfungsi di bawah frekuensi yang sangat tinggi, FR-4 memberikan penebat dan prestasi yang memenuhi keperluan.
• Reka Bentuk Sensitif Kos - Apabila belanjawan penting, FR-4 membolehkan anda mengekalkan kos pengeluaran yang lebih rendah tanpa melepaskan kebolehpercayaan.
Had FR-4 dan Alternatif yang Lebih Baik
Apabila FR-4 Tidak Sesuai
• Litar Frekuensi Tinggi - Di atas kira-kira 6–10 GHz, FR-4 menyebabkan kehilangan isyarat yang lebih tinggi, yang menjadikannya tidak sesuai untuk reka bentuk RF atau gelombang mikro lanjutan.
• Kadar Data Ultra Tinggi - Untuk kelajuan seperti PCIe Gen 5 dan ke atas (25+ Gbps), FR-4 menambah terlalu banyak kelewatan dan kehilangan sisipan, mengurangkan integriti isyarat.
• Keadaan Suhu Tinggi - FR-4 standard mula rosak lebih cepat apabila terdedah kepada suhu lebih tinggi daripada kira-kira 150 °C, menjadikannya tidak boleh dipercayai untuk kegunaan jangka panjang dalam persekitaran sedemikian.
Alternatif kepada FR-4
| Bahan | Kes Penggunaan |
|---|---|
| Lamina Rogers | Reka bentuk RF dan gelombang mikro memerlukan kehilangan isyarat rendah |
| Komposit PTFE | Kehilangan dielektrik ultra rendah untuk litar frekuensi tinggi ketepatan |
| Polimida | Ketahanan suhu tinggi dalam persekitaran yang keras |
| Seramik | Prestasi dan ketahanan yang melampau di bawah tekanan |
Gred dan Kegunaan FR-4
FR-4 Standard
FR-4 standard mempunyai suhu peralihan kaca (Tg) kira-kira 130–150 °C. Ia adalah gred yang paling biasa, digunakan dalam elektronik, peralatan pejabat dan sistem kawalan industri standard.
FR-4 Tg Tinggi
Tg tinggi FR-4 menawarkan Tg 170–180 °C atau lebih tinggi. Gred ini diperlukan untuk proses pematerian bebas plumbum dan digunakan dalam elektronik automotif, papan aeroangkasa dan reka bentuk lain yang memerlukan kestabilan haba yang lebih tinggi.
FR-4 CTI Tinggi
High-CTI FR-4 menyediakan indeks penjejakan perbandingan (CTI) sebanyak 600 atau lebih tinggi. Ia dipilih untuk bekalan kuasa, penukar dan litar voltan tinggi di mana jarak rayapan dan pelepasan selamat diperlukan.
FR-4 Bebas Halogen
FR-4 bebas halogen mempunyai sifat yang serupa dengan jenis standard atau Tg tinggi, tetapi ia mengelakkan kalis api berasaskan halogen. Ia digunakan dalam reka bentuk mesra alam yang mesti mematuhi piawaian alam sekitar RoHS dan REACH.
Isu Integriti Isyarat dalam FR-4
Masalah
FR-4 menggunakan fabrik kaca tenunan untuk kekuatan, tetapi tenunan ini tidak seragam sempurna. Apabila menghalakan pasangan pembezaan, satu surih boleh melepasi terutamanya berkas kaca, yang mempunyai pemalar dielektrik yang lebih tinggi, manakala surih lain melepasi resin, yang mempunyai pemalar dielektrik yang lebih rendah. Pendedahan yang tidak sekata ini menyebabkan isyarat bergerak pada kelajuan yang sedikit berbeza, mewujudkan apa yang dipanggil kecondongan tenunan gentian.
Kesan
Perbezaan kelajuan antara kedua-dua isyarat membawa kepada ketidakpadanan masa. Pada kadar data yang tinggi, ketidakpadanan ini muncul sebagai kecondongan pembezaan, kegelisahan tambahan, dan juga penutupan gambar rajah mata. Kesan ini boleh mengurangkan integriti isyarat dan mengehadkan prestasi saluran komunikasi berkelajuan tinggi.
Penyelesaian
Menghalakan pasangan pembezaan pada sudut 10–15° ke tenunan membantu menghalang kesan daripada sejajar terus dengan berkas kaca. Memilih fabrik kaca yang tersebar, seperti gaya 3313, menjadikan sifat dielektrik lebih seragam di seluruh papan. Pasangan pembezaan yang mengejutkan memastikan kedua-dua jejak menemui campuran bahan yang serupa. Kecenderungan belanjawan dalam simulasi masa membolehkan anda meramalkan dan mengambil kira kesan ini sebelum fabrikasi.
Risiko Kelembapan dan Kebolehpercayaan dalam FR-4
Kesan Kelembapan
• Pengurangan Tg Semasa Aliran Semula - Kelembapan yang diserap menurunkan suhu peralihan kaca, yang menjadikan bahan kurang stabil semasa pematerian dan boleh menyebabkan delaminasi.
• Kemerosotan Dielektrik - Pada frekuensi tinggi, kelembapan meningkatkan kehilangan dielektrik, yang mengurangkan kualiti isyarat dalam reka bentuk kelajuan GHz.
• Filamen Anodik Konduktif (CAF) - Salah satu risiko yang paling serius, CAF berlaku apabila ion kuprum berhijrah melalui epoksi di bawah bias elektrik, membentuk laluan konduktif tersembunyi yang boleh menyebabkan seluar pendek antara jejak atau via.
Mengurangkan Masalah Kelembapan
• Simpan papan kering dan dimeterai untuk mengelakkan kelembapan.
• Bakar papan sebelum digunakan jika ia telah terdedah kepada kelembapan.
• Pilih FR-4 tahan CAF untuk reka bentuk ketumpatan tinggi atau voltan tinggi.
• Ikut peraturan jarak daripada IPC untuk mengurangkan risiko seluar pendek.
Faktor yang perlu disemak sebelum membeli FR-4
• Tentukan gred lamina dan kepingan garis miring IPC-4101 untuk mengelakkan kekeliruan.
• Sertakan nilai pemalar dielektrik khusus frekuensi (Dk) dan faktor pelesapan (Df) untuk jalur operasi yang dimaksudkan.
• Sahkan keperluan haba dengan Tg ≥ 170 °C dan Td > 300 °C untuk pematerian bebas plumbum dan kestabilan haba jangka panjang.
• Panggil kekasaran kerajang tembaga untuk lapisan berkelajuan tinggi untuk meminimumkan kehilangan sisipan.
• Perhatikan penarafan indeks penjejakan perbandingan (CTI) semasa mereka bentuk untuk laluan voltan tinggi.
• Pilih lamina tahan CAF untuk padat melalui medan atau aplikasi voltan tinggi.
• Tambahkan arahan pengendalian atau penyimpanan untuk mengawal kelembapan dan mengelakkan delaminasi.
• Minta fabrik kaca yang tersebar untuk pasangan pembezaan untuk mengurangkan kecondongan tenunan gentian.
Kesimpulannya
FR-4 menawarkan kekuatan, penebat dan kecekapan kos, itulah sebabnya ia kekal sebagai bahan PCB standard. Namun, ia mempunyai had dalam keadaan frekuensi tinggi, berkelajuan tinggi atau suhu tinggi. Dengan mengetahui faktor elektrik, haba dan kebolehpercayaannya, dan memilih gred yang betul, anda boleh memastikan prestasi yang stabil atau beralih kepada alternatif yang lebih baik apabila reka bentuk menuntutnya.
Soalan Lazim [Soalan Lazim]
Apakah IPC-4101 dalam FR-4?
Ia adalah piawaian yang mentakrifkan sifat lamina FR-4 seperti Tg, Dk dan penyerapan lembapan.
Bagaimanakah FR-4 berbeza daripada PCB teras logam?
FR-4 adalah untuk PCB umum, manakala PCB teras logam menggunakan aluminium atau tembaga untuk pelesapan haba yang lebih baik.
Bolehkah FR-4 digunakan dalam PCB fleksibel?
Tidak, FR-4 tegar. Ia hanya boleh menjadi sebahagian daripada reka bentuk tegar-fleksibel dengan lapisan polimida.
Apakah penyerapan lembapan FR-4?
Sekitar 0.10–0.20%, yang boleh menurunkan kestabilan jika tidak dibakar atau disimpan dengan betul.
Adakah FR-4 baik untuk litar voltan tinggi?
Ya, gred CTI tinggi (CTI ≥ 600) digunakan dalam bekalan kuasa dan penukar.
Mengapakah kekasaran kerajang tembaga penting dalam FR-4?
Kerajang kasar meningkatkan kehilangan isyarat; kerajang licin meningkatkan prestasi berkelajuan tinggi.