FR-4 qui doit être connu avant l'impression de PCB

2023-05-05

1. Feuille FR4, également écrit FR4, est à la fois un nom et un niveau standard


  Le matériau de substrat organique utilisé pour la fabrication PCB se compose de trois composants : une résine, un matériau de renforcement et une feuille de cuivre conductrice.

Feuille FR4


  FR-4, comme son nom, s'applique à l'utilisation de tissu en fibre de verre comme matériau de renforcement dans la fabrication de cartes de circuits imprimés, et le système de résine est un terme général désignant les feuilles stratifiées en résine époxy. FR-4 n'est qu'un terme général désignant un type de tôle. Le tissu en fibre de verre est une fibre de verre de qualité électronique tissée dans un matériau fin semblable à un tissu. La fibre de verre confère au FR-4 la stabilité structurelle nécessaire. Ce tissu en fibre de verre est entouré et lié par de la résine époxy avec des additifs ignifuges. Les résines confèrent aux matériaux de la rigidité et d'autres propriétés physiques.


  La spécification FR-4 est développée par NEMA (Electrical Manufacturers Association of America) et la classification couramment utilisée des qualités de substrat PCB NEMA est indiquée dans le tableau ci-dessous.


Alliage

Résine

Renforcement

Ignifuge

XPC

phénolique

Papier fibre

Non, UL94 HB

XXXPC

phénolique

Papier fibre

Non, UL94 HB

FR-1

phénolique

Papier fibre

Oui, UL94 V-1

FR-2

phénolique

Papier fibre

Oui, UL94 V-1

FR-3

Epoxy

Papier fibre

Oui, UL94 V-1

FR-4

Epoxy

Fibres de verre

Oui, UL94 V-0

FR-5

Epoxy

Fibres de verre

Oui, UL94 V-0

G-10

Epoxy

Fibres de verre

Non

CEM-1

Epoxy

Fibre de verre de papier de soie

Oui, UL94 V-0

CEM-2

Epoxy

Fibre de verre de papier de soie

Non

CEM-3

Epoxy

Papier en fibre de verre

Oui, UL94 V-0

 

  Le FR dans la norme de classification NEMA représente ignifuge ou résistant au feu, également connu sous le nom de classement au feu. Par conséquent, les panneaux classés FR sont tous des panneaux ignifuges, et le chiffre « 4 » distingue le matériau des autres matériaux de la même qualité. 4 indique que la résine est une résine époxy, le matériau de renforcement est un tissu en fibre de verre et que le classement au feu est UL94 V-0. Le niveau ignifuge des FR-1, FR-2 et FR-3 est UL 94V-1, et les résines et matériaux de renforcement utilisés sont également différents.


  Dans les années 1950, les substrats en papier phénolique recouverts de cuivre ont été introduits et largement utilisés dans les équipements électriques tels que les radios et les téléviseurs. Cependant, ce matériau présentait une faible isolation électrique et n’était pas ignifuge. À cette époque, il y avait de nombreux accidents d'incendie causés par des pannes électriques de téléviseurs aux États-Unis, c'est pourquoi la NEMA a divisé différentes qualités de substrat de PCB en fonction de considérations de sécurité électrique, principalement basées sur l'inflammabilité, la stabilité à haute température, l'absorption d'humidité et d'autres indicateurs du circuit. substrat de la carte, mais n'a pas précisé les propriétés électriques du substrat, telles que la constante diélectrique, la tangente de perte et d'autres indicateurs.


  FR-4 n'est qu'un niveau dans la classification des substrats NEMA, représentant uniquement la catégorie de matériau, et non le matériau spécifique. Un problème courant est que le FR-4 est souvent confondu avec un diélectrique spécifique, tel que le matériau FR-4 dans notre logiciel de simulation, qui a une constante diélectrique par défaut de 4.2 et une tangente d'angle de perte de 0.02. Cependant, de nombreuses plaques à pertes moyennes à faibles sont également des matériaux de qualité FR-4.


2. Pourquoi FR4 est-il une carte ordinaire dans les usines de PCB


  Les premières cartes PCB largement utilisées étaient des substrats en papier recouverts de cuivre phénolique, tels que XPC et XXXPC, qui étaient relativement peu coûteux mais non ignifuges. Après les incendies provoqués par des pannes de circuits dans les années 1970, les principaux équipements électriques ont commencé à utiliser des substrats ignifuges. L'utilisation de substrats en papier revêtus de cuivre phénolique FR-1 et FR-2 dotés de propriétés ignifuges a progressivement dépassé celle des substrats XPC et XXXPC non ignifuges.


  Dans les années 1980, les appareils multimédias portables comme les Walkmans et les BPM ont commencé à devenir populaires. Les PCB ont commencé à évoluer vers la miniaturisation et la haute densité, et l'application de PCB multicouches est devenue de plus en plus courante, ce qui a conduit au développement de substrats PCB.


  Bien que les substrats en papier tels que XPC et FR-1 soient moins chers que le substrat en tissu époxy en fibre de verre FR-4, ils ne sont pas aussi bons que le FR-4 en termes d'absorption d'humidité, de résistance à la chaleur et de résistance mécanique. Au début, les supports papier étaient généralement utilisés pour les produits de consommation sensibles au prix, tandis que le FR-4 était plus couramment utilisé pour les produits industriels.


  Mais à mesure que les appareils grand public évoluent vers des tailles plus petites, plus légères et plus fines, l'utilisation des panneaux FR-4 augmente également. Avec l'utilisation généralisée de PCB d'épaisseurs standards allant de 1.6 mm à 0.8 mm, la résistance mécanique et la résistance à l'humidité des substrats en papier sont devenues un problème. De plus, les substrats papier ne conviennent pas à la production de cartes multicouches et, avec le développement de la miniaturisation des équipements, la densité du câblage des PCB augmente et la part de marché des cartes multicouches augmente également. Par conséquent, malgré le coût relativement élevé des panneaux FR-4, les produits de consommation se tournent progressivement vers les panneaux FR-4.


  Une autre raison importante pour laquelle les usines de modèles de PCB choisissent largement le FR-4 au lieu d'utiliser des substrats en papier moins chers est que les substrats en papier ne conviennent pas aux processus de perçage, mais uniquement aux processus de poinçonnage, tandis que le FR-4 est très facile à traiter.


  Avec l'expansion continue de la capacité de production de matériaux tels que la résine époxy et le tissu en fibre de verre, le substrat standard FR-4 actuel est déjà un matériau peu coûteux avec d'excellentes propriétés mécaniques et une excellente aptitude au traitement, ce qui le rend très populaire parmi les fabricants mondiaux de produits électroniques à faible coût. .


3. Indicateurs de performance de FR-4


  Le substrat FR-4 est un système de résine époxy, la valeur Tg est donc depuis longtemps l'indicateur le plus couramment utilisé pour classer les qualités de substrat FR-4 et constitue également l'un des principaux indicateurs de performance dans la spécification IPC-4101.


Température de transition vitreuse Tg


  La valeur Tg d'un système de résine fait référence au point de transition de température auquel un matériau passe d'un état relativement rigide ou « verre » à un état facilement déformable ou ramolli. Tant que la résine ne se décompose pas, ce changement thermodynamique est toujours réversible. Cela signifie que lorsque le matériau est chauffé d'un état de température ambiante à une température supérieure à la valeur Tg, puis refroidi en dessous de la valeur Tg, il peut revenir à un état rigide avec les mêmes propriétés qu'auparavant. Cependant, lorsque le matériau est chauffé à une température bien supérieure à sa valeur Tg, cela peut conduire à des changements de phase irréversibles. L'impact de cette température est étroitement lié au type de matériau mais également à la décomposition thermique de la résine.


  De manière générale, plus la Tg du substrat est élevée, plus la fiabilité du matériau est élevée. Si le procédé de soudage sans plomb est utilisé, il faut également tenir compte de la température de décomposition thermique (Td) du substrat.


  D'autres indicateurs de performance importants incluent le coefficient de dilatation thermique (CTE), l'absorption d'eau, les caractéristiques d'adhésion des matériaux et les tests de temps de délaminage couramment utilisés, tels que les tests T260 et T288.


4. Diversité des Feuille FR4


  Quelles sont les distinctions spécifiques entre les matériaux de cette catégorie, utilisant un tissu en fibre de verre comme matériau de renforcement, une résine époxy comme système de résine et le FR-4 comme matériau de base avec un indice ignifuge de UL 94V-0 ?


Division basée sur la valeur Tg


  La différence la plus évidente entre les matériaux FR-4 est la valeur Tg. Selon la température Tg, les feuilles FR-4 sont généralement divisées en feuilles à faible Tg, moyenne Tg et haute Tg.


  Dans l'industrie, le FR-4 avec une Tg autour de 135 ℃ est généralement classé comme feuille à faible Tg ; Prenez FR-4 avec Tg à environ 150 ℃ comme plaque de Tg moyenne ; 


Classez FR-4 avec environ 170 ℃ Tg comme plaque à Tg élevée.


  S'il y a plusieurs temps de pressage, plusieurs couches de PCB (plus de 14 couches), une température de soudage élevée (≥ 230 ℃), une température de travail élevée (plus de 100 ℃) ou une contrainte thermique de soudage élevée (telle que le brasage à la vague) pendant le traitement du PCB, haute Les plaques Tg doivent être sélectionnées.

Divisé en fonction des pertes

Plaque de perte ordinaire (Df ≥ 0.02)

Plaque à perte moyenne (0.01

Feuille à faible perte (0.005

Feuille à très faible perte (Df < 0.005)


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