I materiali PCB-FR-4 non sono tutti uguali

Nell'industria dei PCB, “FR-4” è una denominazione comunemente usata per i materiali laminati. Fino a un certo punto, l'idea di FR-4 come tipo specifico di laminato è uno dei tanti miti che si sono diffusi in tutto il settore. Questo blog tratta la storia del termine FR-4, cosa significa realmente, i diversi parametri ad esso associati e gli aspetti caratteristici da considerare nella scelta di laminati specifici per il design.

Le origini di FR-4

Se si ricerca il termine FR-4, quasi ogni fonte lo definisce come laminato epossidico rinforzato con fibra di vetro. In sostanza, la definizione di Wikipedia è:

FR-4 è una classificazione NEMA (National Electrical Manufacturers Association) per laminato epossidico rinforzato con fibra di vetro. FR-4 è un materiale composito costituito da un tessuto intrecciato in fibra di vetro con un legante in resina epossidica che è ritardante di fiamma (autoestinguente).

Questa definizione di FR-4 è così onnipresente nel settore che molte persone coinvolte nello sviluppo di prodotti PCB usano FR-4 in questo modo come denominazione del laminato.

La realtà è che FR-4 non è un materiale laminato, e non lo è mai stato. Si tratta piuttosto di una classificazione UL che significa “Flame Retardant Class 4”. Se si torna abbastanza indietro nella storia dei PCB, esistevano solo due opzioni di laminato: materiali a base di poliimmide e materiali a base epossidica. Se si stava sviluppando un prodotto per il settore aerospaziale, si usava la poliimmide perché il sistema di resina poteva sopportare temperature più elevate. Tuttavia, presenta molti svantaggi: è costosa, difficile da produrre e, in cima alla lista dei problemi, assorbe umidità. Ciò significa che una scheda realizzata in poliimmide deve essere essiccata in forno e poi rivestita con un coating protettivo per evitare gravi problemi di dispersione.

L'altro materiale “originario” era l'epossidica. L'epossidica era meno costosa, più semplice da produrre ed era una delle resine più comunemente utilizzate. Tuttavia, il materiale non può sopportare temperature elevate. Di conseguenza, durante il processo di saldatura si ammorbidisce ed è soggetto a deformazioni. Inoltre, il termine “epossidica” non indica una singola resina specifica, ma una classe di laminati.

Sulla base di queste due opzioni di laminato originarie, FR-4 significava essenzialmente “non poliimmide”, ma questo non vuol dire affatto che tutti i PCB FR-4 siano uguali. In effetti, è possibile produrre 50 diversi PCB che soddisfano tutti la denominazione “FR-4”, ma che differiscono per aspetto, prestazioni e collocazione nello spettro dei costi.

Anche quando il settore si è evoluto oltre i materiali puramente a base epossidica, la denominazione FR-4 è rimasta in uso, perché i sistemi di resina più recenti non erano poliimmide. Per esempio, per risolvere i punti deboli dei sistemi a base epossidica, oggi esistono diverse miscele epossidiche con differenti caratteristiche termiche. Una di queste è nota come “High-Tg FR-4” e affronta i problemi della bassa Tg (temperatura di transizione vetrosa) associati ai PCB a base epossidica.

Ciò che conta davvero

Oltre ai fogli di rame e al rinforzo in tessuto di vetro, i sistemi di resina sono tra i componenti principali dei sistemi di materiali per circuiti stampati. E, all'interno del sistema di resina, una delle proprietà più importanti è il dielettrico (isolante). La proprietà del dielettrico che influisce sull'impedenza e sulla velocità di propagazione è la costante dielettrica relativa (er). Come mostrato nella Tabella 1, questa proprietà varia sia con il contenuto di resina sia con la frequenza alla quale viene misurata.

Tabella 1. Proprietà di un tipico sistema laminato Hi Tg FR-4

Quando si usa “FR-4”, si tende a presumere che esista una costante dielettrica comune per tutti i materiali FR-4. In particolare, si presume che FR-4 significhi che il materiale abbia un er pari a 4,7. Questo valore di er non esiste più da 30 anni, eppure questa supposizione è stata la causa di molti errori di impedenza. La Tabella 2 mostra i valori di er di laminati comunemente utilizzati, nessuno dei quali è significativamente superiore a 4,0. Altre informazioni critiche includono il fattore di perdita Tan (f), la DBV (tensione di rottura dielettrica) e la WA (assorbimento d'acqua).

Tabella 2. Proprietà di diversi sistemi di materiali PCB di uso comune

• Tg = temperatura di transizione vetrosa
• WA = assorbimento d'acqua
• DBV = tensione di rottura dielettrica
• Tan (f) = fattore di perdita
• er = costante dielettrica relativa

Tutti i materiali contengono un rinforzo in tessuto di vetro, tranne il Teflon.

Specificare il miglior laminato per il tuo design

Uno dei problemi di cui il settore ha sofferto per anni è che storicamente le schede tecniche dei materiali non contenevano informazioni sufficienti per consentire agli sviluppatori di prodotto di scegliere i laminati in base ai parametri prestazionali dei loro design. All'interno dell'ampia categoria “FR-4”, molti materiali sono semplicemente “tipici”, senza dettagli sufficientemente specifici per garantire che venga selezionato il laminato corretto per un determinato progetto di prodotto.

Con l'aumento della complessità dei design, la necessità di un affinamento ulteriore delle informazioni sui laminati è cresciuta in modo esponenziale. Un problema comune negli ultimi anni, per esempio, è stata l'assenza di informazioni sui tipi di tessuto in fibra di vetro. La mancanza di queste informazioni ha portato a gravi problemi di jitter e skew. Fortunatamente, oggi i produttori di laminati forniscono informazioni sui tipi di tessuto di vetro, come mostrato nella Tabella 3.

Tabella 3. Elenco dei tipi di tessuto di vetro disponibili nei laminati PCB

Le differenze tra questi tipi di tessuto per alcuni materiali di esempio sono illustrate di seguito. Questi materiali di grado FR4 coprono un'ampia gamma di costanti dielettriche, che dipende dal tipo di vetro e dal contenuto di resina utilizzati nel materiale laminato. Le aperture nel tessuto di vetro sono chiaramente visibili e, prima che il vetro meccanicamente espanso diventasse di uso diffuso, queste aperture nel tessuto di vetro erano responsabili di forti effetti di fiber weave. Gli esempi di materiale mostrati di seguito si riferiscono a prepreg di grado FR4 presenti in materiali commercialmente disponibili, ma le stesse immagini potrebbero essere usate anche per materiali core.

I materiali più recenti e le versioni evolute di materiali più vecchi fanno sempre più affidamento sul vetro espanso. I tessuti di vetro standard mantengono le aperture mostrate nell'immagine sopra, il che ha portato all'uso di creativi pattern di routing a zigzag per bus paralleli ad alta velocità e coppie differenziali.

Grazie al vetro espanso, oggi questo è molto meno necessario, purché il vetro espanso sia specificato nelle note di fabbricazione del design. Uno sviluppatore può anche specificare un materiale commercialmente disponibile costruito con vetro espanso, e tale materiale dovrebbe essere indicato nelle note di fabbricazione e nella tabella dello stackup dei disegni master.

Non tutti i fornitori di materiali PCB offrono lo stesso livello di dettaglio sui tessuti di vetro specifici o sul fatto che il materiale contenga vetro espanso. Per esempio, un determinato marchio di materiale può includere opzioni di laminato con vetro espanso o vetro standard, oppure il materiale può essere disponibile con entrambi i tipi di vetro. La Tabella 4 mostra un esempio delle informazioni sul laminato, con tipo di vetro e contenuto di resina, necessarie per la progettazione di uno stackup.

La tabella seguente mostra i dati relativi a contenuto di resina, tipo di vetro e costante dielettrica per il sistema laminato FR408HR di Isola Group. Si noti che questa tabella si applica solo ai core, ma esiste anche una tabella corrispondente per i prepreg. Si noti inoltre che Isola ha storicamente reso queste informazioni pubblicamente accessibili in modo eccellente oppure le ha fornite su richiesta.

Tabella 4. Informazioni tipiche sul laminato necessarie per sviluppare uno stackup PCB

Dal prototyping alla produzione

Come per altri aspetti critici del design, è indispensabile che il team di engineering sia molto preciso nell'identificare un laminato specifico per un prodotto e, successivamente, altrettanto scrupoloso nel garantire che lo stesso laminato venga utilizzato durante l'intero ciclo di fabbricazione del prodotto, dal prototyping alla produzione in serie. Talvolta, un produttore orientato al contenimento dei costi sostituisce un materiale con un altro per far risparmiare denaro al cliente. Una situazione del genere si è verificata circa cinque anni fa, quando un produttore ha utilizzato un materiale con vetro monostrato meno costoso al posto del materiale a doppio strato previsto dal design, ma più caro. Questo ha causato il guasto dei PCB e il produttore ha dovuto riacquistare tutti i PCB assemblati, ciascuno dei quali conteneva componenti per un valore di 5–6 mila dollari USA.

In effetti, il nostro settore si è abituato a consentire ai fabbricanti di modificare l'artwork, lo stackup o il materiale, sia come parte della loro prassi sia come modo per “far risparmiare” denaro ai clienti. Questo poteva avere un impatto minimo quando le velocità di progetto erano basse, ma un simile margine di libertà è impossibile con i design ad alta velocità di oggi. Per questo motivo è importante integrare strutture di test nei PCB e assicurarsi che un “traveler” accompagni ogni scheda lungo il processo di fabbricazione. Gli sviluppatori di prodotto dovrebbero pretendere questo documento, in modo da poter tracciare quali materiali sono stati usati nei loro PCB durante l'intero ciclo di sviluppo del prodotto.

Riepilogo

Anche se l'uso di FR-4 come denominazione del laminato ha una giustificazione storica, ciò non significa che ad esso siano associate metriche prestazionali. In realtà, l'uso di materiali “FR-4” per un determinato design può avere conseguenze gravi, fino al guasto del prodotto. Per garantire che il tuo prodotto funzioni come previsto fin dal primo tentativo, devi includere nella selezione finale del materiale le proprietà critiche legate alle prestazioni. È altrettanto importante stabilire che lo stesso laminato venga utilizzato durante l'intero ciclo produttivo, dal prototipo alla produzione in serie.

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Riferimento

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

Domande frequenti

Cosa significa realmente “FR-4” e perché è fuorviante usarlo come specifica del laminato?

FR-4 non è un materiale laminato specifico; è una classificazione UL di infiammabilità che significa “classe 4 ritardante di fiamma”. Storicamente, quando la scelta era sostanzialmente limitata a sistemi in poliimmide o epossidici, “FR-4” divenne una scorciatoia per indicare “non poliimmide”. Col tempo, molti sistemi di resina diversi a base epossidica e sistemi misti — alcuni con Tg elevata e differenti proprietà elettriche/termiche — sono stati etichettati come “FR-4”. Per questo motivo, la sola indicazione “FR-4” non dice quasi nulla su prestazioni, costo o struttura, e due PCB entrambi definiti “FR-4” possono comportarsi in modo molto diverso.

Perché non posso semplicemente assumere un'unica costante dielettrica per FR-4 e quali problemi comporta?

La costante dielettrica relativa (er) dei materiali della classe FR-4 varia in funzione del contenuto di resina, del contenuto di vetro e della frequenza di misura; da decenni non è più un valore univoco pari a “4,7”. In pratica, molti materiali laminati di uso comune si collocano intorno a 4,0 o anche al di sotto, e il valore esatto dipende dal materiale specifico e dai dettagli dello stackup. L’assunzione di un valore fisso di er porta a errori nell’impedenza e nel tempo di propagazione del segnale, in particolare nei progetti ad alta velocità. Gli sviluppatori dovrebbero utilizzare dati specifici del materiale (er in funzione della frequenza, fattore di perdita, contenuto di resina/vetro) quando definiscono stackup e simulazioni, e considerare la dielectric constant of fr4 indicata per ciascun prodotto del produttore.

Quale ruolo svolgono i tipi di tessuto in fibra di vetro, e in che modo lo Spread Glass aiuta nei progetti ad alta velocità?

Il rinforzo in fibra di vetro intrecciata fa parte del dielettrico e il suo motivo di tessitura genera variazioni locali nel rapporto tra vetro e resina. I tessuti standard presentano aperture visibili che possono causare effetti legati alla trama della fibra — come skew differenziale e jitter — quando le piste ad alta velocità attraversano casualmente zone ricche di resina o di vetro. Lo Spread Glass riduce o elimina queste aperture, rende il dielettrico più omogeneo e attenua tali effetti. Per trarne vantaggio, lo Spread Glass dovrebbe essere specificato esplicitamente nelle note di fabbricazione e indicato come opzione di materiale nello stackup e nei disegni master.

Quali informazioni dovrei richiedere obbligatoriamente quando seleziono un laminato all’interno della famiglia “FR-4”?

Andate oltre la semplice denominazione FR-4 e procuratevi dati specifici del laminato, tra cui: costante dielettrica in funzione della frequenza, fattore di perdita, contenuto di resina, tipo/i di tessuto in fibra di vetro, Tg (temperatura di transizione vetrosa), assorbimento d’acqua e rigidità dielettrica. Assicuratevi che questi dati siano disponibili sia per i core sia per i prepreg. Molti fornitori pubblicano oggi tabelle dettagliate (ad esempio tipo di vetro e contenuto di resina per ogni opzione di spessore); utilizzatele per creare uno stackup prevedibile e controllare l’integrità del segnale. In caso di dubbio, richiedete il fr4 material datasheet per verificare questi parametri.

Come posso assicurarmi che i prototipi e le schede di produzione in serie rimangano coerenti, e perché questo è così importante?

Specificate il materiale con precisione — inclusi il tipo di tessuto in fibra di vetro, il contenuto di resina e l’eventuale necessità di Spread Glass — e applicate tali requisiti in modo coerente dal prototipo alla produzione in serie. Non consentite sostituzioni “per risparmiare sui costi” senza l’approvazione del team di progettazione — cambiamenti apparentemente minimi (ad esempio tessuto in fibra di vetro monostrato invece che bistrato) possono causare guasti e costose rilavorazioni. Integrate strutture di test sulla scheda e richiedete un documento di tracciabilità che registri con precisione i materiali e il processo utilizzati per ogni build. La coerenza è fondamentale, perché i moderni progetti ad alta velocità non lasciano alcun margine a modifiche incontrollate dei materiali.