Os materiais de PCB FR-4 não são todos iguais

Na indústria de PCB, “FR-4” é uma designação comum para materiais laminados. Até certo ponto, FR-4 como um tipo específico de laminado é um dos muitos mitos disseminados em toda a indústria. Este blog abordará a história do termo FR-4, o que ele realmente significa, os vários qualificadores associados a ele e as questões características de interesse ao selecionar laminados específicos para um projeto.

As Origens do FR-4

Se você pesquisar FR-4 como termo, quase toda referência o define como um laminado epóxi reforçado com vidro. Essencialmente, a definição da Wikipedia é:

FR-4 é uma designação de classe da NEMA (National Electrical Manufacturers Association) para material laminado epóxi reforçado com vidro. FR-4 é um material compósito composto por tecido de fibra de vidro entrelaçado com um aglutinante de resina à base de epóxi que é resistente à chama (autoextinguível).

Essa definição de FR-4 é tão onipresente na indústria que muitas pessoas envolvidas no desenvolvimento de produtos PCB passaram a usar FR-4 como uma designação de laminado dessa forma.

A realidade é que FR-4 não é e nunca foi um material laminado. Na verdade, trata-se de uma classificação UL que significa “classe 4 retardante de chama”. Se voltarmos o suficiente na história das PCBs, havia apenas duas opções de laminado: materiais à base de poliimida e materiais à base de epóxi. Se você estivesse projetando um produto aeroespacial, usaria poliimida porque o sistema de resina poderia suportar temperaturas mais altas. Porém, isso traz muitos pontos negativos — é caro, difícil de fabricar e, no topo da lista de problemas, absorve umidade. Isso significa que é preciso secar em estufa uma placa feita de poliimida e depois aplicar um revestimento conformal para evitar problemas graves de fuga de corrente.

O outro material “original” era o epóxi. O epóxi era mais barato, mais fácil de fabricar e era uma das resinas mais comumente usadas. Porém, o material não suporta altas temperaturas. Assim, ele amolece durante o processo de soldagem, tornando-se propenso a empenamento. Além disso, o termo “epóxi” não denota uma resina específica, mas sim uma classe de laminados.

Portanto, com base nessas duas escolhas originais de laminado, FR-4 passou a significar “não poliimida”, mas, de forma alguma, todas as placas FR-4 são iguais. Na verdade, é possível fabricar 50 placas diferentes, todas atendendo à designação “FR-4”, mas diferindo em aparência, desempenho e posição no espectro de custo.

Mesmo quando a indústria foi além dos materiais puramente à base de epóxi, a designação FR-4 permaneceu porque os sistemas de resina mais novos não eram poliimida. Por exemplo, para lidar com as deficiências dos sistemas à base de epóxi, agora temos várias misturas epóxi com uma variedade de características térmicas. Uma delas, conhecida como “High-Tg FR-4”, trata dos problemas de baixo Tg (temperatura de transição vítrea) associados às placas à base de epóxi.

O Que Realmente Importa

Juntamente com as folhas de cobre e o reforço de vidro trançado, os sistemas de resina são um dos principais componentes dos sistemas de materiais de placas. E, dentro do sistema de resina, uma das propriedades mais importantes é a dielétrica (isolante). A propriedade do dielétrico que afeta a impedância e a velocidade de propagação é a constante dielétrica relativa (er). Como mostrado na Tabela 1, essa propriedade varia tanto com o teor de resina quanto com a frequência em que é medida.

Tabela 1. Propriedades de um Sistema de Laminado FR-4 Hi Tg Típico

Quando as pessoas usam “FR-4”, elas presumem que existe uma constante dielétrica comum para todos os materiais FR-4. Especificamente, presumem que FR-4 significa que o material tem um er de 4,7. Esse er não existe há 30 anos, mas essa suposição foi a fonte de muitos erros de impedância. A Tabela 2 mostra o er de laminados comumente usados, nenhum dos quais está muito acima de 4,0. Informações críticas adicionais incluem Tan (f) tangente de perdas, DBV (tensão de ruptura dielétrica) e WA (absorção de água).

Tabela 2. Propriedades de Vários Sistemas de Materiais PCB Comuns

• Tg = temperatura de transição vítrea
• WA = absorção de água
• DBV = tensão de ruptura dielétrica
• Tan (f) = tangente de perdas
• er = constante dielétrica relativa

Todos os materiais incluem reforço de vidro trançado, exceto Teflon.

Especificando o Melhor Laminado para Seu Projeto

Uma das coisas que atormentou a indústria ao longo dos anos é que, historicamente, as fichas técnicas dos materiais não incluíam informações suficientes para permitir que os desenvolvedores de produtos escolhessem laminados com base nos parâmetros de desempenho de seus projetos. Dentro da ampla categoria de “FR-4”, muitos materiais são “típicos”, sem especificações suficientes para garantir que o laminado correto fosse selecionado para um determinado projeto de produto.

À medida que os projetos se tornaram mais complexos, a necessidade de maior refinamento das informações sobre laminados cresceu exponencialmente. Por exemplo, nos últimos anos, um desafio comum era a ausência de informações sobre estilos de trama de vidro. Não ter essas informações levava a problemas sérios de jitter e skew. Felizmente, os fabricantes de laminados agora fornecem informações sobre os estilos de trama de vidro, como mostrado na Tabela 3.

Tabela 3. Lista de Estilos de Trama de Vidro Disponíveis em Laminados para PCB

As diferenças nesses estilos de trama para alguns materiais de exemplo são mostradas abaixo. Esses materiais de grau FR4 abrangem uma ampla faixa de valores de constante dielétrica, o que é função do tipo de vidro e do teor de resina usados no material laminado. As aberturas na trama de vidro são claramente visíveis e, antes de o vidro espalhado mecanicamente se tornar difundido, essas aberturas na trama de vidro eram responsáveis por efeitos severos de trama de fibra. Estes exemplos de materiais mostrados abaixo são de prepregs de grau FR4 em materiais comercialmente disponíveis, mas as mesmas imagens também poderiam ser encontradas para materiais de núcleo.

Materiais mais novos e versões mais avançadas de materiais legados migraram cada vez mais para vidro espalhado. Tramas de vidro padrão mantêm as aberturas mostradas na imagem acima, o que levava ao uso de padrões criativos de roteamento em zigue-zague para barramentos paralelos de alta velocidade e pares diferenciais.

Graças ao vidro espalhado, isso é muito menos necessário hoje, desde que o vidro espalhado seja especificado nas notas de fabricação de um projeto. Um projetista também pode especificar um material comercialmente disponível construído com vidro espalhado, e esse material deve ser indicado nas notas de fabricação e na tabela de empilhamento nos desenhos mestre.

Nem todos os fornecedores de materiais para PCB oferecem o mesmo nível de informação sobre as tramas de vidro específicas ou se o material contém vidro espalhado. Por exemplo, uma determinada marca de material pode ter opções de laminado que incluam vidro espalhado ou vidro padrão, ou o material pode estar disponível com qualquer um dos dois tipos de vidro. A Tabela 4 mostra um exemplo das informações de laminado contendo estilo de vidro e teor de resina necessários para projetar um empilhamento.

A tabela abaixo mostra dados de teor de resina, tipo de vidro e constante dielétrica para o sistema laminado FR408HR da Isola Group. Observe que esta tabela é apenas para núcleos, mas também existe uma tabela correspondente para prepregs. Observe que a Isola historicamente fez um excelente trabalho ao disponibilizar publicamente essas informações ou fornecê-las mediante solicitação.

Tabela 4. Informações Típicas de Laminado Necessárias para Projetar um Empilhamento de PCB

Da Prototipagem à Produção

Assim como ocorre com outros aspectos críticos do projeto, é imperativo que a equipe de engenharia seja muito específica ao identificar um determinado laminado para um produto e depois seja igualmente diligente para garantir que o mesmo laminado seja usado durante todo o ciclo de fabricação do produto, da prototipagem à produção completa. Às vezes, um fabricante focado em custos substitui um material por outro para economizar dinheiro para o cliente. Esse tipo de situação ocorreu há cerca de cinco anos, quando um fabricante de produção substituiu um material que tinha o vidro de uma única camada, mais barato, em vez do material correto para o projeto, porém mais caro, de duas camadas. Isso resultou em falha das placas e o fabricante teve de comprar todas as placas montadas, cada uma com componentes no valor de US$ 5–6 mil.

Na verdade, nossa indústria adquiriu o mau hábito de permitir que os fabricantes alterassem a arte, o empilhamento ou o material, seja como parte de sua rotina, seja como forma de “economizar” dinheiro para seus clientes. Isso pode não ter tido muito impacto quando as velocidades de projeto eram baixas, mas esse tipo de liberdade é impossível com os projetos de alta velocidade de hoje. É por isso que é importante ter estruturas de teste incorporadas às suas placas e garantir que um “traveler” acompanhe cada placa pela instalação de fabricação. Os desenvolvedores de produtos devem exigir esse documento para que possam ver quais materiais entraram em suas placas ao longo de todo o ciclo de desenvolvimento do produto.

Resumo

Embora o uso de FR-4 como designação de laminado tenha base histórica, isso não significa que ele ofereça métricas de desempenho. Na realidade, usar materiais “FR-4” em um projeto específico pode levar a consequências severas, incluindo falha do produto. Para garantir que seu produto funcione conforme projetado já na primeira vez, você deve considerar as características críticas relacionadas ao desempenho na escolha final do material. Também é imperativo especificar que o mesmo laminado seja usado durante todo o ciclo de produção, do protótipo até a produção completa.

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Referência

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.”

Perguntas Frequentes

O que “FR-4” realmente significa e por que é enganoso usá-lo como especificação de laminado?

O FR-4 não é um material laminado específico; é uma classificação de inflamabilidade da UL, significando “classe 4 retardante à chama”. Historicamente, quando as opções eram principalmente sistemas de poliimida ou epóxi, “FR-4” tornou-se uma forma abreviada de dizer “não é poliimida”. Com o tempo, muitos sistemas diferentes de resina à base de epóxi e resinas mistas — alguns com Tg alto e propriedades elétricas/térmicas variadas — passaram a ser rotulados como “FR-4”. Como resultado, especificar apenas “FR-4” quase nada diz sobre desempenho, custo ou construção, e duas placas ambas chamadas “FR-4” podem se comportar de forma muito diferente.

Por que não posso assumir uma única constante dielétrica para FR-4, e que problemas isso causa?

A constante dielétrica relativa (er) para materiais da classe FR-4 varia com o teor de resina, o teor de vidro e a frequência de medição; ela não é um único valor “4,7” há décadas. Na prática, muitos laminados comumente usados estão em ou abaixo de ~4,0, e o valor exato depende do material específico e dos detalhes do stackup. Assumir um er fixo leva a erros de impedância e temporização, especialmente em projetos de alta velocidade. Os projetistas devem usar dados específicos do material (er vs. frequência, tangente de perda, percentuais de resina/vidro) ao montar stackups e simulações, e consultar a constante dielétrica do fr4 fornecida nos dados de cada fornecedor.

Qual é o papel dos estilos de trama de vidro, e como o spread glass ajuda em projetos de alta velocidade?

O reforço de fibra de vidro tecida faz parte do dielétrico, e seu padrão de trama cria variações locais na proporção vidro-resina. Tramas padrão têm aberturas visíveis que podem induzir efeitos de trama da fibra — como skew diferencial e jitter — quando trilhas de alta velocidade cruzam aleatoriamente regiões ricas em resina ou em vidro. O spread glass reduz ou elimina essas aberturas, tornando o dielétrico mais uniforme e mitigando esses efeitos. Para obter esse benefício, especifique explicitamente spread glass nas notas de fabricação e indique uma opção de material que inclua spread glass no stackup e nos desenhos mestres.

Em que informações devo insistir ao selecionar um laminado dentro da família “FR-4”?

Vá além do rótulo FR-4 e reúna dados específicos do laminado, incluindo: constante dielétrica vs. frequência, tangente de perda, teor de resina, estilo(s) de vidro, Tg (temperatura de transição vítrea), absorção de água e tensão de ruptura dielétrica. Certifique-se de ter essas informações tanto para os núcleos quanto para os prepregs. Muitos fornecedores agora publicam tabelas detalhadas (por exemplo, tipo de vidro e teor de resina para cada opção de espessura); use-as para construir um stackup previsível e controlar a integridade de sinal. Em caso de dúvida, solicite a ficha técnica do material fr4 para verificar esses parâmetros.

Como mantenho consistência entre minhas placas de protótipo e de produção, e por que isso é crítico?

Especifique com precisão o material (incluindo estilo de vidro, teor de resina e se spread glass é obrigatório) e imponha isso desde o protótipo até a produção em volume. Não permita substituições “para economizar custo” sem aprovação da engenharia — mudanças aparentemente pequenas (por exemplo, vidro de uma camada vs. duas camadas) podem causar falhas e retrabalho caro. Inclua estruturas de teste na placa e exija um documento de rastreabilidade para acompanhar os materiais exatos e o processo usado em cada fabricação. A consistência é essencial, pois os projetos atuais de alta velocidade não deixam margem para mudanças não controladas de material.