Materiały PCB FR-4 nie są wszystkie takie same

W branży PCB „FR-4” to powszechnie stosowane oznaczenie materiałów laminatowych. Do pewnego stopnia FR-4 jako konkretny typ laminatu jest jednym z wielu mitów rozpowszechnionych w całej branży. W tym blogu omówimy historię terminu FR-4, co naprawdę oznacza, różne parametry z nim związane oraz charakterystyczne kwestie, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze laminatów odpowiednich dla konkretnego projektu.

Pochodzenie FR-4

Jeśli poszukasz informacji o terminie FR-4, niemal każde źródło zdefiniuje go jako laminat epoksydowy wzmacniany włóknem szklanym. Zasadniczo definicja z Wikipedii brzmi następująco:

FR-4 to oznaczenie klasy NEMA (National Electrical Manufacturers Association) dla materiału laminatowego epoksydowego wzmacnianego włóknem szklanym. FR-4 jest materiałem kompozytowym składającym się z tkaniny z włókna szklanego oraz spoiwa na bazie żywicy epoksydowej, które jest trudnopalne (samogasnące).

Ta definicja FR-4 jest tak powszechna w branży, że wiele osób zajmujących się rozwojem produktów PCB zaczęło używać FR-4 jako oznaczenia laminatu właśnie w tym znaczeniu.

Rzeczywistość jest taka, że FR-4 nie jest i nigdy nie było materiałem laminatowym. To raczej klasyfikacja UL oznaczająca „flame retardant class 4”, czyli klasę 4 trudnopalności. Jeśli cofniemy się wystarczająco daleko w historię PCB, dostępne były tylko dwa rodzaje laminatów: materiały na bazie poliimidu i materiały na bazie epoksydu. Jeśli projektowało się produkt dla przemysłu lotniczego lub kosmicznego, stosowało się poliimid, ponieważ układ żywiczny mógł wytrzymywać wyższe temperatury. Ale ma on też wiele wad — jest drogi, trudny w produkcji, a jednym z najpoważniejszych problemów jest to, że chłonie wilgoć. Oznacza to, że płytkę wykonaną z poliimidu trzeba najpierw wygrzać, aby ją osuszyć, a następnie pokryć powłoką ochronną, aby zapobiec poważnym problemom z upływnością.

Drugim „oryginalnym” materiałem był epoksyd. Epoksyd był tańszy, łatwiejszy w produkcji i należał do najczęściej stosowanych żywic. Jednak materiał ten nie wytrzymuje wysokich temperatur. W rezultacie mięknie podczas procesu lutowania, przez co jest podatny na odkształcenia. Co więcej, termin „epoksyd” nie oznacza jednej konkretnej żywicy, lecz całą klasę laminatów.

Tak więc, bazując na tych dwóch pierwotnych opcjach laminatów, FR-4 zaczęło oznaczać „nie poliimid”, ale nie znaczy to w żadnym razie, że wszystkie płytki FR-4 są takie same. W rzeczywistości można wykonać 50 różnych płytek, z których wszystkie spełniają oznaczenie „FR-4”, a mimo to różnią się wyglądem, parametrami i miejscem w spektrum kosztów.

Nawet gdy branża wyszła poza materiały wyłącznie na bazie epoksydu, oznaczenie FR-4 pozostało, ponieważ nowsze układy żywiczne nie były poliimidem. Na przykład, aby wyeliminować wady systemów epoksydowych, mamy dziś kilka mieszanek epoksydowych o różnych charakterystykach temperaturowych. Jedna z nich, znana jako „High-Tg FR-4”, rozwiązuje problemy związane z niskim Tg (temperaturą zeszklenia) występujące w płytkach na bazie epoksydu.

Co naprawdę ma znaczenie

Obok folii miedzianych i tkanego wzmocnienia szklanego, układy żywiczne są jednym z głównych składników systemów materiałowych płytek. A w samym układzie żywicznym jedną z najważniejszych właściwości jest dielektryk (izolator). Właściwością dielektryka, która wpływa na impedancję i prędkość propagacji fali, jest względna stała dielektryczna (er). Jak pokazano w Tabeli 1, ta właściwość zmienia się zarówno wraz z zawartością żywicy, jak i z częstotliwością, przy której jest mierzona.

Tabela 1. Właściwości typowego systemu laminatu Hi Tg FR-4

Gdy ludzie używają terminu „FR-4”, zakładają, że istnieje jedna wspólna wartość stałej dielektrycznej dla wszystkich materiałów FR-4. Konkretnie, zakładają, że FR-4 oznacza materiał o er równym 4,7. Taka wartość er nie występuje już od 30 lat, ale to założenie było źródłem wielu błędów impedancyjnych. Tabela 2 pokazuje wartości er powszechnie stosowanych laminatów, z których żaden nie ma wartości dużo powyżej 4,0. Dodatkowe krytyczne informacje obejmują Tan (f) — tangens kąta strat, DBV — napięcie przebicia dielektrycznego oraz WA — nasiąkliwość wodą.

Tabela 2. Właściwości kilku popularnych systemów materiałowych PCB

• Tg = temperatura zeszklenia
• WA = nasiąkliwość wodą
• DBV = napięcie przebicia dielektrycznego
• Tan (f) = tangens kąta strat
• er = względna stała dielektryczna

Wszystkie materiały zawierają tkane wzmocnienie z włókna szklanego z wyjątkiem teflonu.

Jak określić najlepszy laminat dla swojego projektu

Jednym z problemów, które przez lata trapiły branżę, było to, że karty katalogowe materiałów historycznie nie zawierały wystarczającej ilości informacji, aby umożliwić twórcom produktów dobór laminatów na podstawie parametrów użytkowych ich projektów. W szerokiej kategorii „FR-4” wiele materiałów było określanych jako „typowe”, bez dostatecznie szczegółowych danych pozwalających mieć pewność, że do danego projektu wybrano właściwy laminat.

W miarę jak projekty stawały się coraz bardziej złożone, potrzeba dalszego uszczegółowienia informacji o laminatach rosła wykładniczo. Na przykład w ostatnich latach jednym z częstych problemów był brak informacji o stylach splotu włókna szklanego. Brak tych informacji prowadził do poważnych problemów z jitterem i skew. Na szczęście producenci laminatów udostępniają dziś informacje o stylach splotu włókna szklanego, takie jak pokazane w Tabeli 3.

Tabela 3. Lista stylów splotu włókna szklanego dostępnych w laminatach PCB

Różnice między tymi stylami splotu dla przykładowych materiałów pokazano poniżej. Te materiały klasy FR4 obejmują szeroki zakres wartości stałej dielektrycznej, co jest funkcją rodzaju szkła i zawartości żywicy zastosowanych w materiale laminatowym. Otwory w splocie włókna szklanego są wyraźnie widoczne, a zanim mechanicznie rozciągane szkło stało się powszechne, to właśnie te otwory odpowiadały za silne efekty splotu włókien. Pokazane poniżej przykłady materiałów dotyczą prepregów klasy FR4 w materiałach dostępnych komercyjnie, ale takie same obrazy można by znaleźć także dla materiałów rdzeniowych.

Nowsze materiały i bardziej zaawansowane wersje starszych materiałów coraz częściej wykorzystują szkło rozciągane. Standardowe sploty szklane zachowują otwory pokazane na powyższym obrazie, co prowadziło do stosowania pomysłowych zygzakowatych wzorów trasowania dla szybkich magistral równoległych i par różnicowych.

Dzięki szkłu rozciąganemu jest to dziś znacznie rzadziej konieczne, o ile szkło rozciągane zostanie określone w uwagach produkcyjnych dla projektu. Projektant może również wskazać komercyjnie dostępny materiał zbudowany ze szkła rozciąganego, a materiał ten powinien zostać wyszczególniony w uwagach produkcyjnych oraz w tabeli stackupu na rysunkach głównych.

Nie wszyscy dostawcy materiałów PCB oferują ten sam poziom informacji o konkretnych splotach szkła lub o tym, czy materiał zawiera szkło rozciągane. Na przykład dana marka materiału może mieć opcje laminatu obejmujące szkło rozciągane lub standardowe, albo materiał może być dostępny z jednym i drugim typem szkła. Tabela 4 pokazuje przykład informacji o laminacie zawierających styl szkła i zawartość żywicy potrzebne do zaprojektowania stackupu.

Poniższa tabela przedstawia dane dotyczące zawartości żywicy, rodzaju szkła i stałej dielektrycznej dla systemu laminatu FR408HR firmy Isola Group. Należy zauważyć, że ta tabela dotyczy tylko rdzeni, ale istnieje również odpowiadająca jej tabela dla prepregów. Warto też zauważyć, że Isola historycznie wykonywała znakomitą pracę, publicznie udostępniając te informacje lub przekazując je na żądanie.

Tabela 4. Typowe informacje o laminacie potrzebne do zaprojektowania stackupu PCB

Od prototypowania do produkcji

Podobnie jak w przypadku innych krytycznych aspektów projektowania, niezwykle ważne jest, aby zespół inżynierski bardzo precyzyjnie identyfikował konkretny laminat dla produktu, a następnie z równą starannością dopilnował, by ten sam laminat był stosowany przez cały cykl wytwarzania produktu — od prototypowania po pełną produkcję. Czasami producent nastawiony na redukcję kosztów zastępuje jeden materiał innym, aby zaoszczędzić klientowi pieniądze. Taka sytuacja miała miejsce około pięć lat temu, gdy producent seryjny zastąpił materiał wersją z tańszym jednowarstwowym szkłem zamiast zgodnego z projektem, ale droższego, szkła dwuwarstwowego. Doprowadziło to do awarii płytek, a producent musiał odkupić wszystkie zmontowane płytki, z których każda zawierała komponenty warte 5–6 tys. dolarów.

Prawda jest taka, że nasza branża nabrała złego nawyku pozwalania producentom płytek na zmianę artworku, stackupu lub materiału, czy to w ramach rutynowego działania, czy jako sposobu na „oszczędzanie” pieniędzy klientom. Być może nie miało to dużego wpływu, gdy prędkości projektów były niskie, ale przy dzisiejszych projektach wysokiej szybkości taki zakres swobody jest niemożliwy do zaakceptowania. Dlatego tak ważne jest, aby w płytkach uwzględniać struktury testowe i dopilnować, by wraz z każdą płytką przez zakład produkcyjny przechodził „traveler”. Twórcy produktów powinni nalegać na ten dokument, aby móc sprawdzić, jakie materiały zostały użyte w ich płytkach na każdym etapie cyklu rozwoju produktu.

Podsumowanie

Choć użycie FR-4 jako oznaczenia laminatu ma historyczne uzasadnienie, nie oznacza to, że dostarcza ono miar parametrów użytkowych. W rzeczywistości zastosowanie materiałów „FR-4” w konkretnym projekcie może prowadzić do poważnych konsekwencji, włącznie z awarią produktu. Aby mieć pewność, że produkt zadziała zgodnie z projektem już za pierwszym razem, należy uwzględnić kluczowe właściwości związane z wydajnością przy ostatecznym wyborze materiału. Równie ważne jest określenie, że ten sam laminat ma być stosowany przez cały cykl produkcyjny — od prototypu aż po pełną produkcję.

Niezależnie od tego, czy chcesz tworzyć niezawodną elektronikę mocy, czy zaawansowane systemy cyfrowe, Altium Develop łączy wszystkie dziedziny w jedną współpracującą całość. Bez silosów. Bez ograniczeń. To miejsce, w którym inżynierowie, projektanci i innowatorzy pracują jako jeden zespół, współtworząc bez barier. Wypróbuj Altium Develop już dziś!

Bibliografia

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

Najczęściej zadawane pytania

Co tak naprawdę oznacza „FR-4” i dlaczego używanie tego terminu jako specyfikacji laminatu jest mylące?

FR-4 nie jest konkretnym materiałem laminatu; to klasa palności UL, oznaczająca „flame retardant class 4”. Historycznie, gdy wybór ograniczał się głównie do systemów poliimidowych lub epoksydowych, „FR-4” stało się skrótem oznaczającym „nie poliimid”. Z biegiem czasu wiele różnych systemów żywic epoksydowych i mieszanek żywic — w tym materiałów o wysokim Tg oraz zróżnicowanych właściwościach elektrycznych i termicznych — zaczęto oznaczać jako „FR-4”. W rezultacie samo określenie „FR-4” praktycznie nic nie mówi o wydajności, koszcie ani konstrukcji, a dwie płytki opisane jako „FR-4” mogą zachowywać się zupełnie inaczej.

Dlaczego nie mogę zakładać jednej stałej dielektrycznej dla FR-4 i jakie problemy to powoduje?

Względna przenikalność dielektryczna (er) dla materiałów klasy FR-4 zmienia się w zależności od zawartości żywicy, zawartości włókna szklanego oraz częstotliwości pomiaru; od dekad nie jest to jedna stała wartość „4,7”. W praktyce wiele powszechnie stosowanych laminatów ma wartość około 4,0 lub niższą, a dokładna wartość zależy od konkretnego materiału i szczegółów stackupu. Przyjęcie stałej wartości er prowadzi do błędów impedancji i opóźnień czasowych, szczególnie w projektach high-speed. Projektanci powinni korzystać z danych właściwych dla danego materiału (er w funkcji częstotliwości, tangens kąta strat, procentowa zawartość żywicy i szkła) podczas budowy stackupu i wykonywania symulacji oraz sprawdzać dielectric constant of fr4 podawaną w danych każdego dostawcy.

Jaką rolę odgrywają style splotu włókna szklanego i w jaki sposób spread glass pomaga w projektach high-speed?

Tkane wzmocnienie z włókna szklanego stanowi część dielektryka, a jego wzór splotu powoduje lokalne zmiany stosunku szkła do żywicy. Standardowe sploty mają widoczne przestrzenie, które mogą wywoływać efekty fiber-weave — takie jak differential skew i jitter — gdy ścieżki high-speed losowo przechodzą przez obszary bogate w żywicę lub szkło. Spread glass zmniejsza lub eliminuje te przestrzenie, dzięki czemu dielektryk jest bardziej jednorodny i skutki te są ograniczane. Aby uzyskać ten efekt, należy jednoznacznie określić spread glass w uwagach produkcyjnych oraz wskazać opcję materiałową obejmującą spread glass w stackupie i rysunkach głównych.

Jakich informacji powinienem wymagać przy wyborze laminatu z rodziny „FR-4”?

Wyjdź poza samo oznaczenie FR-4 i zbierz dane specyficzne dla danego laminatu, w tym: stałą dielektryczną w funkcji częstotliwości, tangens kąta strat, zawartość żywicy, styl(e) włókna szklanego, Tg (temperaturę zeszklenia), absorpcję wody oraz napięcie przebicia dielektrycznego. Upewnij się, że masz te dane zarówno dla rdzeni, jak i prepregów. Wielu dostawców publikuje dziś szczegółowe tabele (np. typ szkła i zawartość żywicy dla każdej opcji grubości); korzystaj z nich, aby zbudować przewidywalny stackup i kontrolować integralność sygnałową. W razie wątpliwości poproś o fr4 material datasheet, aby zweryfikować te parametry.

Jak zachować spójność między płytkami prototypowymi a produkcyjnymi i dlaczego jest to krytyczne?

Precyzyjnie określ materiał (w tym styl włókna szklanego, zawartość żywicy oraz to, czy spread glass jest wymagany) i egzekwuj te wymagania od prototypu aż po produkcję seryjną. Nie dopuszczaj do zamienników „dla oszczędności kosztów” bez zgody działu inżynierskiego — pozornie niewielkie zmiany (np. szkło jednowarstwowe zamiast dwuwarstwowego) mogą powodować awarie i kosztowne poprawki. Umieść na płytce struktury testowe i wymagaj dokumentu traveler do śledzenia dokładnych materiałów oraz procesu użytego w każdej partii. Spójność jest niezbędna, ponieważ współczesne projekty high-speed nie pozostawiają marginesu na niekontrolowane zmiany materiałowe.