PCB-FR-4-Materialien sind nicht alle gleich

In der PCB-Industrie ist „FR-4“ eine gängige Bezeichnung für Laminatmaterialien. Bis zu einem gewissen Grad ist FR-4 als spezifischer Laminattyp einer der vielen Mythen, die sich in der gesamten Branche verbreitet haben. Dieser Blog behandelt die Geschichte des Begriffs FR-4, was er tatsächlich bedeutet, die verschiedenen damit verbundenen Kenngrößen sowie die charakteristischen Aspekte, die bei der Auswahl designspezifischer Laminate zu berücksichtigen sind.

Die Ursprünge von FR-4

Wenn man FR-4 als Begriff recherchiert, definiert ihn nahezu jede Quelle als glasfaserverstärktes Epoxidlaminat. Im Wesentlichen lautet die Wikipedia-Definition:

FR-4 ist eine NEMA-Klassifizierung (National Electrical Manufacturers Association) für glasfaserverstärktes Epoxidlaminat. FR-4 ist ein Verbundwerkstoff aus gewebtem Glasfasergewebe mit einem Harzbindemittel auf Epoxidbasis, das flammhemmend ist (selbstverlöschend).

Diese Definition von FR-4 ist in der Branche so allgegenwärtig, dass viele Personen, die an der Entwicklung von PCB-Produkten beteiligt sind, FR-4 auf diese Weise als Laminatbezeichnung verwenden.

Die Realität ist, dass FR-4 kein Laminatmaterial ist und es auch nie war. Vielmehr handelt es sich um eine UL-Klassifizierung mit der Bedeutung „Flammhemmklasse 4“. Wenn man weit genug in die Geschichte der PCBs zurückgeht, gab es nur zwei Laminatoptionen: Polyimid- und Epoxid-basierte Materialien. Wenn Sie ein Produkt für die Luft- und Raumfahrt entwickelten, verwendeten Sie Polyimid, weil das Harzsystem höheren Temperaturen standhalten konnte. Allerdings bringt es viele Nachteile mit sich – es ist teuer, schwierig herzustellen und, ganz oben auf der Problemliste, es nimmt Feuchtigkeit auf. Das bedeutet, dass eine aus Polyimid gefertigte Leiterplatte trocken gebacken und anschließend mit einer Schutzbeschichtung versehen werden muss, um schwere Leckageprobleme zu vermeiden.

Das andere „ursprüngliche“ Material war Epoxid. Epoxid war kostengünstiger, einfacher herzustellen und gehörte zu den am häufigsten verwendeten Harzen. Das Material kann jedoch keine hohen Temperaturen aushalten. Daher wird es während des Lötprozesses weich und ist anfällig für Verzug. Außerdem bezeichnet der Begriff „Epoxid“ kein bestimmtes einzelnes Harz, sondern eine Klasse von Laminaten.

Auf Grundlage dieser beiden ursprünglichen Laminatoptionen bedeutete FR-4 im Grunde „nicht Polyimid“, aber keineswegs sind alle FR-4-Leiterplatten gleich. Tatsächlich ist es möglich, 50 verschiedene Leiterplatten herzustellen, die alle die Bezeichnung „FR-4“ erfüllen, sich jedoch in Aussehen, Leistung und ihrer Position im Kostenspektrum unterscheiden.

Selbst als sich die Branche über rein Epoxid-basierte Materialien hinausentwickelte, blieb die Bezeichnung FR-4 bestehen, weil die neueren Harzsysteme kein Polyimid waren. Um beispielsweise die Schwächen Epoxid-basierter Systeme zu beheben, gibt es heute mehrere Epoxidmischungen mit unterschiedlichen Temperatureigenschaften. Eine davon ist als „High-Tg FR-4“ bekannt und begegnet den Problemen der niedrigen Tg (Glasübergangstemperatur), die mit Epoxid-basierten Leiterplatten verbunden sind.

Worauf es wirklich ankommt

Neben Kupferfolien und gewebter Glasverstärkung gehören Harzsysteme zu den Hauptbestandteilen von Leiterplatten-Materialsystemen. Und innerhalb des Harzsystems ist eine der wichtigsten Eigenschaften das Dielektrikum (Isolator). Die Eigenschaft des Dielektrikums, die Impedanz und Wellengeschwindigkeit beeinflusst, ist die relative Dielektrizitätskonstante (er). Wie in Tabelle 1 gezeigt, variiert diese Eigenschaft sowohl mit dem Harzgehalt als auch mit der Frequenz, bei der sie gemessen wird.

Tabelle 1. Eigenschaften eines typischen Hi Tg FR-4-Laminatsystems

Wenn Menschen „FR-4“ verwenden, gehen sie davon aus, dass es eine gemeinsame Dielektrizitätskonstante für alle FR-4-Materialien gibt. Konkret nehmen sie an, FR-4 bedeute, dass das Material ein er von 4,7 hat. Dieser er-Wert existiert seit 30 Jahren nicht mehr, doch diese Annahme war die Ursache vieler Impedanzfehler. Tabelle 2 zeigt die er-Werte häufig verwendeter Laminate, von denen keines wesentlich über 4,0 liegt. Weitere kritische Informationen umfassen Tan (f) Verlustfaktor, DBV (dielektrische Durchschlagspannung) und WA (Wasseraufnahme).

Tabelle 2. Eigenschaften mehrerer gängiger PCB-Materialsysteme

• Tg = Glasübergangstemperatur
• WA = Wasseraufnahme
• DBV = dielektrische Durchschlagspannung
• Tan (f) = Verlustfaktor
• er = relative Dielektrizitätskonstante

Alle Materialien enthalten eine gewebte Glasverstärkung außer Teflon.

Das beste Laminat für Ihr Design spezifizieren

Eines der Probleme, unter denen die Branche über Jahre hinweg litt, bestand darin, dass die Datenblätter von Materialien historisch gesehen nicht genügend Informationen enthielten, damit Produktentwickler Laminate auf Grundlage der Leistungsparameter ihrer Designs auswählen konnten. Innerhalb der breiten Kategorie „FR-4“ sind viele Materialien lediglich „typisch“, ohne ausreichend spezifische Angaben, um sicherzustellen, dass für ein bestimmtes Produktdesign das richtige Laminat ausgewählt wurde.

Mit zunehmender Komplexität der Designs stieg der Bedarf an einer weitergehenden Verfeinerung der Laminatinformationen exponentiell. Ein häufiges Problem der letzten Jahre waren beispielsweise fehlende Informationen zu Glasgewebearten. Das Fehlen dieser Informationen führte zu gravierenden Problemen mit Jitter und Skew. Glücklicherweise stellen Laminathersteller heute Informationen zu den Glasgewebearten bereit, wie sie in Tabelle 3 gezeigt werden.

Tabelle 3. Liste der in PCB-Laminaten verfügbaren Glasgewebearten

Die Unterschiede zwischen diesen Gewebearten für einige Beispielmaterialien sind unten dargestellt. Diese Materialien in FR4-Qualität decken einen großen Bereich von Dielektrizitätskonstanten ab, was eine Funktion des im Laminatmaterial verwendeten Glastyps und Harzgehalts ist. Die Öffnungen im Glasgewebe sind deutlich sichtbar, und bevor mechanisch gespreiztes Glas weit verbreitet war, waren diese Öffnungen im Glasgewebe für starke Fiber-Weave-Effekte verantwortlich. Die unten gezeigten Materialbeispiele beziehen sich auf Prepregs in FR4-Qualität in kommerziell verfügbaren Materialien, aber dieselben Bilder könnten auch für Kernmaterialien verwendet werden.

Neuere Materialien und weiterentwickelte Versionen älterer Materialien setzen zunehmend auf gespreiztes Glas. Standard-Glasgewebe behalten die im obigen Bild gezeigten Öffnungen bei, was dazu führte, dass für Hochgeschwindigkeits-Parallelbusse und Differenzialpaare kreative Zickzack-Routingmuster verwendet wurden.

Dank gespreiztem Glas ist dies heute weit weniger notwendig, solange gespreiztes Glas in den Fertigungsnotizen für ein Design spezifiziert wird. Ein Entwickler kann auch ein kommerziell verfügbares Material spezifizieren, das mit gespreiztem Glas aufgebaut ist, und dieses Material sollte in den Fertigungsnotizen und in der Stackup-Tabelle der Masterzeichnungen angegeben werden.

Nicht alle Lieferanten von PCB-Materialien bieten denselben Informationsumfang zu den spezifischen Glasgeweben oder dazu, ob das Material gespreiztes Glas enthält. Beispielsweise kann ein bestimmter Markenname eines Materials Laminatoptionen umfassen, die gespreiztes Glas oder Standardglas enthalten, oder das Material kann mit beiden Glasarten verfügbar sein. Tabelle 4 zeigt ein Beispiel für die Laminatinformationen mit Glasart und Harzgehalt, die für die Auslegung eines Stackups benötigt werden.

Die nachstehende Tabelle zeigt Daten zu Harzgehalt, Glasart und Dielektrizitätskonstante für das FR408HR-Laminatsystem von Isola Group. Beachten Sie, dass diese Tabelle nur für Kerne gilt, es jedoch auch eine entsprechende Tabelle für Prepregs gibt. Beachten Sie außerdem, dass Isola diese Informationen historisch gesehen in hervorragender Weise öffentlich zugänglich gemacht oder auf Anfrage bereitgestellt hat.

Tabelle 4. Typische Laminatinformationen, die für die Entwicklung eines PCB-Stackups benötigt werden

Vom Prototyping bis zur Produktion

Wie bei anderen kritischen Aspekten des Designs ist es unerlässlich, dass das Engineering-Team bei der Identifizierung eines bestimmten Laminats für ein Produkt sehr präzise ist und anschließend ebenso sorgfältig sicherstellt, dass während des gesamten Produktfertigungszyklus – vom Prototyping bis zur Serienproduktion – dasselbe Laminat verwendet wird. Manchmal ersetzt ein kostenbewusster Produktionshersteller ein Material durch ein anderes, um dem Kunden Geld zu sparen. Eine solche Situation trat vor etwa fünf Jahren auf, als ein Produktionshersteller ein Material mit dem günstigeren einlagigen Glasmaterial anstelle des designgerechten, aber teureren zweilagigen Materials einsetzte. Dies führte dazu, dass Leiterplatten ausfielen und der Hersteller alle bestückten Leiterplatten zurückkaufen musste, von denen jede Komponenten im Wert von 5–6 Tsd. US-Dollar enthielt.

Tatsächlich hat sich unsere Branche angewöhnt, Fertigern zu erlauben, das Artwork, das Stackup oder das Material zu ändern – entweder als Teil ihrer Routine oder als Möglichkeit, ihren Kunden Geld zu „sparen“. Das mag kaum Auswirkungen gehabt haben, als die Designgeschwindigkeiten niedrig waren, aber ein solcher Spielraum ist bei den heutigen Hochgeschwindigkeitsdesigns unmöglich. Deshalb ist es wichtig, Teststrukturen in Ihre Leiterplatten zu integrieren und sicherzustellen, dass ein „Traveler“ jede Leiterplatte durch die Fertigung begleitet. Produktentwickler sollten auf diesem Dokument bestehen, damit sie während des gesamten Produktentwicklungszyklus nachvollziehen können, welche Materialien in ihren Leiterplatten verwendet wurden.

Zusammenfassung

Auch wenn die Verwendung von FR-4 als Laminatbezeichnung historisch begründet ist, bedeutet sie nicht, dass damit Leistungskennzahlen verbunden sind. Tatsächlich kann die Verwendung von „FR-4“-Materialien für ein bestimmtes Design zu schwerwiegenden Folgen bis hin zum Produktausfall führen. Um sicherzustellen, dass Ihr Produkt auf Anhieb wie vorgesehen funktioniert, müssen Sie die kritischen leistungsbezogenen Eigenschaften in die endgültige Materialauswahl einbeziehen. Ebenso wichtig ist es, festzulegen, dass während des gesamten Produktionszyklus – vom Prototyp bis zur Serienfertigung – dasselbe Laminat verwendet wird.

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Referenz

1. Ritchey, Lee W. und Zasio, John J., „Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volumes 1 and 2.“

Häufig gestellte Fragen

Was bedeutet „FR-4“ tatsächlich, und warum ist es irreführend, es als Laminatspezifikation zu verwenden?

FR-4 ist kein spezifisches Laminatmaterial; es handelt sich um eine UL-Entflammbarkeitsklassifizierung mit der Bedeutung „flammschutzhemmende Klasse 4“. Historisch gesehen, als die Auswahl im Wesentlichen auf Polyimid- oder Epoxidsysteme beschränkt war, wurde „FR-4“ zum Kurzbegriff für „nicht Polyimid“. Im Laufe der Zeit wurden viele unterschiedliche epoxybasierte und gemischte Harzsysteme — einige mit hohem Tg und unterschiedlichen elektrischen/thermischen Eigenschaften — als „FR-4“ bezeichnet. Daher sagt die Angabe „FR-4“ allein nahezu nichts über Leistung, Kosten oder Aufbau aus, und zwei Leiterplatten, die beide als „FR-4“ bezeichnet werden, können sich sehr unterschiedlich verhalten.

Warum kann ich für FR-4 nicht einfach von einer einzigen Dielektrizitätskonstanten ausgehen, und welche Probleme verursacht das?

Die relative Dielektrizitätskonstante (er) von Materialien der FR-4-Klasse variiert je nach Harzanteil, Glasanteil und Messfrequenz; sie ist seit Jahrzehnten kein einheitlicher Wert von „4,7“ mehr. In der Praxis liegen viele häufig verwendete Laminatmaterialien bei etwa 4,0 oder darunter, und der genaue Wert hängt vom spezifischen Material und den Details des Layeraufbaus ab. Die Annahme eines festen er-Werts führt zu Fehlern bei Impedanz und Signallaufzeit, insbesondere bei High-Speed-Designs. Entwickler sollten materialspezifische Daten verwenden (er über der Frequenz, Verlustfaktor, Harz-/Glasanteile), wenn sie Layeraufbauten und Simulationen erstellen, und die für jedes Herstellerprodukt angegebene dielectric constant of fr4 berücksichtigen.

Welche Rolle spielen Glasgewebearten, und wie hilft Spread Glass bei High-Speed-Designs?

Gewebte Glasfaserverstärkung ist Teil des Dielektrikums, und ihr Webmuster erzeugt lokale Schwankungen im Verhältnis von Glas zu Harz. Standardgewebe besitzen sichtbare Öffnungen, die Fasergewebeeffekte verursachen können — etwa differentiellen Skew und Jitter — wenn High-Speed-Leiterbahnen zufällig harzreiche oder glasreiche Bereiche kreuzen. Spread Glass reduziert oder eliminiert diese Öffnungen, macht das Dielektrikum homogener und verringert diese Effekte. Um davon zu profitieren, sollte Spread Glass in den Fertigungshinweisen ausdrücklich spezifiziert und im Layeraufbau sowie in den Masterzeichnungen als Materialoption angegeben werden.

Welche Informationen sollte ich bei der Auswahl eines Laminats innerhalb der „FR-4“-Familie unbedingt anfordern?

Gehen Sie über die Bezeichnung FR-4 hinaus und beschaffen Sie laminatspezifische Daten, darunter: Dielektrizitätskonstante über der Frequenz, Verlustfaktor, Harzanteil, Glasgewebeart(en), Tg (Glasübergangstemperatur), Wasseraufnahme und Durchschlagfestigkeit. Stellen Sie sicher, dass diese Angaben sowohl für Cores als auch für Prepregs vorliegen. Viele Lieferanten veröffentlichen heute detaillierte Tabellen (z. B. Glastyp und Harzanteil für jede Dickenoption); nutzen Sie diese, um einen vorhersehbaren Layeraufbau zu erstellen und die Signalintegrität zu kontrollieren. Im Zweifelsfall fordern Sie das fr4 material datasheet an, um diese Parameter zu verifizieren.

Wie stelle ich sicher, dass Prototypen- und Serienleiterplatten konsistent bleiben, und warum ist das so wichtig?

Spezifizieren Sie das Material präzise — einschließlich Glasgewebeart, Harzanteil und ob Spread Glass erforderlich ist — und setzen Sie diese Vorgaben vom Prototyp bis zur Serienfertigung konsequent durch. Erlauben Sie keine Substitutionen „zur Kosteneinsparung“ ohne Freigabe durch die Entwicklung — scheinbar kleine Änderungen (z. B. einlagiges statt zweilagiges Glasgewebe) können Ausfälle und teure Nacharbeiten verursachen. Integrieren Sie Teststrukturen auf der Leiterplatte und verlangen Sie ein Laufdokument, das die exakt verwendeten Materialien und den Prozess für jeden Build nachverfolgt. Konsistenz ist entscheidend, da moderne High-Speed-Designs keinen Spielraum für unkontrollierte Materialänderungen lassen.