Материалы FR-4 для печатных плат не одинаковы

В индустрии печатных плат обозначение «FR-4» широко используется для ламинированных материалов. В определённой степени представление о FR-4 как о конкретном типе ламината — один из множества мифов, распространённых в отрасли. В этой статье рассматриваются история термина FR-4, его реальное значение, различные связанные с ним параметры, а также ключевые вопросы, которые следует учитывать при выборе ламинатов под конкретные требования проекта.

Происхождение FR-4

Если изучить термин FR-4, почти везде он определяется как стеклотекстолит на эпоксидной основе. По сути, определение из Wikipedia звучит так:

FR-4 — это классификационное обозначение NEMA (National Electrical Manufacturers Association — Национальная ассоциация производителей электрооборудования) для стеклоармированного эпоксидного ламинированного материала. FR-4 — это композиционный материал, состоящий из тканого стекловолокна с эпоксидным связующим, обладающим огнестойкостью (самозатуханием).

Это определение FR-4 настолько укоренилось в отрасли, что многие специалисты, занимающиеся разработкой печатных плат, стали использовать FR-4 именно как обозначение ламината.

На самом деле FR-4 не является и никогда не был конкретным ламинированным материалом. Это рейтинг UL, означающий «огнестойкий класс 4». Если обратиться к ранней истории PCB, тогда существовало только два варианта ламинатов: материалы на основе полиимида и материалы на эпоксидной основе. Если вы разрабатывали изделие для аэрокосмической отрасли, использовали полиимид, поскольку его смоляная система выдерживала более высокие температуры. Но у него было много недостатков: он дорогой, сложен в производстве и, что особенно важно, сильно поглощает влагу. Это означает, что плату из полиимида необходимо сушить пропеканием, а затем наносить на неё конформное покрытие, чтобы избежать серьёзных проблем с токами утечки.

Другим «исходным» материалом была эпоксидная система. Эпоксидные материалы были дешевле, проще в производстве и использовались чаще всего. Однако такой материал не выдерживает высоких температур. Поэтому в процессе пайки он размягчается и становится склонным к короблению. Кроме того, термин «эпоксидный» не обозначает какую-то одну конкретную смолу, а относится к целому классу ламинатов.

Таким образом, исходя из этих двух первоначальных вариантов, FR-4 стало означать «не полиимид», но это вовсе не значит, что все платы FR-4 одинаковы. На самом деле можно изготовить 50 разных плат, каждая из которых будет соответствовать обозначению «FR-4», но при этом они будут отличаться по внешнему виду, характеристикам и стоимости.

Даже когда отрасль вышла за рамки исключительно эпоксидных материалов, обозначение FR-4 сохранилось, потому что более новые смоляные системы тоже не были полиимидом. Например, для устранения недостатков эпоксидных систем сегодня существует несколько эпоксидных композиций с различными температурными характеристиками. Одна из них, известная как «High-Tg FR-4», предназначена для решения проблем низкой Tg (температуры стеклования), характерных для эпоксидных плат.

Что действительно важно

Наряду с медной фольгой и тканым стекловолоконным армированием, смоляные системы являются одним из основных компонентов материалов печатной платы. И внутри смоляной системы одним из важнейших свойств является диэлектрик (изолятор). Свойство диэлектрика, влияющее на импеданс и скорость распространения сигнала, — это относительная диэлектрическая проницаемость (er). Как показано в таблице 1, это свойство зависит как от содержания смолы, так и от частоты, на которой производится измерение.

Таблица 1. Свойства типичной ламинированной системы Hi Tg FR-4

Когда люди используют термин «FR-4», они предполагают, что для всех материалов FR-4 существует одно общее значение диэлектрической проницаемости. В частности, считается, что FR-4 означает материал с er, равной 4,7. Такого значения er не существует уже 30 лет, однако именно это допущение стало источником множества ошибок при расчёте импеданса. В таблице 2 показаны значения er для широко используемых ламинатов, и ни одно из них значительно не превышает 4,0. К дополнительным критически важным параметрам относятся Tan (f) — тангенс угла диэлектрических потерь, DBV (dielectric breakdown voltage) — напряжение пробоя диэлектрика, и WA (water absorption) — водопоглощение.

Таблица 2. Свойства нескольких распространённых систем материалов для PCB

• Tg = температура стеклования
• WA = водопоглощение
• DBV = напряжение пробоя диэлектрика
• Tan (f) = тангенс угла потерь
• er = относительная диэлектрическая проницаемость

Все материалы включают армирование тканым стекловолокном, кроме Teflon.

Как задать наилучший ламинат для вашего проекта

Одна из проблем, долгое время мешавших отрасли, заключалась в том, что исторически технические описания материалов не содержали достаточно информации, чтобы разработчики могли выбирать ламинаты на основе рабочих параметров своих изделий. В рамках широкой категории «FR-4» многие материалы считались «типовыми», но без достаточной конкретики, чтобы гарантировать выбор правильного ламината для конкретного проекта.

По мере усложнения конструкций потребность в более детализированной информации о ламинатах росла экспоненциально. Например, в последние годы одной из типичных проблем было отсутствие данных о типах переплетения стеклоткани. Недостаток этой информации приводил к серьёзным проблемам с джиттером и рассогласованием задержек. К счастью, сегодня производители ламинатов предоставляют информацию о типах переплетения стеклоткани, как показано в таблице 3.

Таблица 3. Список типов переплетения стеклоткани, доступных в ламинатах PCB

Ниже показаны различия между этими типами переплетения на примере некоторых материалов. Эти материалы класса FR4 охватывают широкий диапазон значений диэлектрической проницаемости, который определяется типом стекловолокна и содержанием смолы в материале ламината. Отверстия в структуре стеклоткани хорошо видны, и до широкого распространения механически расправленного стекловолокна именно эти зазоры в переплетении вызывали серьёзные эффекты fiber weave. Приведённые ниже примеры материалов относятся к препрегам класса FR4 в коммерчески доступных материалах, но аналогичные изображения можно получить и для материалов сердечника.

Более новые материалы и усовершенствованные версии традиционных материалов всё чаще используют spread glass. Стандартные стеклоткани сохраняют отверстия, показанные на изображении выше, из-за чего для высокоскоростных параллельных шин и дифференциальных пар приходилось применять изощрённые зигзагообразные схемы трассировки.

Благодаря spread glass сегодня в этом гораздо меньше необходимости, если использование spread glass указано в примечаниях к изготовлению для проекта. Разработчик также может указать коммерчески доступный материал, изготовленный с применением spread glass; в этом случае такой материал должен быть явно указан в примечаниях к изготовлению и в таблице стека слоёв на основных чертежах.

Не все поставщики материалов для PCB предоставляют одинаково подробную информацию о конкретных типах стеклоткани или о том, содержит ли материал spread glass. Например, материал под определённым торговым названием может иметь варианты ламината как со spread glass, так и со стандартным стекловолокном, либо материал может быть доступен в обоих исполнениях. В таблице 4 приведён пример информации о ламинате, содержащей данные о типе стеклоткани и содержании смолы, необходимые для проектирования стека слоёв.

В таблице ниже приведены данные о содержании смолы, типе стекловолокна и диэлектрической проницаемости для системы ламината FR408HR от Isola Group. Обратите внимание, что эта таблица относится только к сердечникам, но для препрегов также существует соответствующая таблица. Следует отметить, что Isola исторически отлично справлялась с задачей публичного предоставления этой информации или её предоставления по запросу.

Таблица 4. Типовая информация о ламинате, необходимая для проектирования стека слоёв PCB

От прототипирования до серийного производства

Как и в случае с другими критически важными аспектами проектирования, инженерной команде крайне важно очень точно указывать конкретный ламинат для изделия, а затем столь же внимательно следить за тем, чтобы тот же самый ламинат использовался на всём протяжении производственного цикла — от прототипирования до полномасштабного выпуска. Иногда производитель, ориентированный на снижение себестоимости, заменяет один материал другим, чтобы сэкономить деньги заказчику. Такая ситуация произошла около пяти лет назад, когда производитель заменил материал на более дешёвый с однослойной стеклотканью вместо предусмотренного проектом, но более дорогого, двухслойного варианта. В результате платы вышли из строя, а производителю пришлось выкупить все собранные платы, каждая из которых содержала компонентов на сумму 5–6 тысяч долларов.

По правде говоря, в нашей отрасли сформировалась плохая привычка позволять изготовителям менять фотошаблоны, стек слоёв или материал либо в рамках обычной практики, либо как способ «сэкономить» деньги клиенту. Это могло не оказывать серьёзного влияния, когда скорости в конструкциях были низкими, но для современных высокоскоростных проектов такая свобода недопустима. Именно поэтому важно закладывать в платы тестовые структуры и следить за тем, чтобы вместе с каждой платой через производство проходил сопроводительный технологический лист. Разработчики должны настаивать на наличии этого документа, чтобы видеть, какие материалы использовались в их платах на протяжении всего цикла разработки изделия.

Итоги

Хотя использование FR-4 в качестве обозначения ламината имеет исторические корни, само по себе оно не задаёт эксплуатационные характеристики. На практике применение материалов «FR-4» для конкретного проекта может привести к серьёзным последствиям, включая отказ изделия. Чтобы ваше устройство заработало так, как задумано, с первого раза, необходимо учитывать критически важные характеристики, связанные с производительностью, при окончательном выборе материала. Также крайне важно требовать использования одного и того же ламината на всём протяжении производственного цикла — от прототипа до серийного выпуска.

Независимо от того, нужно ли вам создавать надёжную силовую электронику или передовые цифровые системы, Altium Develop объединяет специалистов всех направлений в единую совместную команду. Без разрозненности. Без ограничений. Это пространство, где инженеры, разработчики и новаторы работают как единое целое, совместно создавая решения без препятствий. Оцените возможности Altium Develop уже сегодня!

Ссылка

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

Часто задаваемые вопросы

Что на самом деле означает «FR-4» и почему вводит в заблуждение использование этого термина как спецификации ламината?

FR-4 — это не конкретный ламинированный материал, а рейтинг воспламеняемости UL, означающий «класс огнестойкости 4». Исторически, когда выбор в основном сводился к системам на основе полиимида или эпоксидной смолы, обозначение «FR-4» стало сокращением для «не полиимид». Со временем множество различных систем на основе эпоксидных и смешанных смол — в том числе с высоким Tg и различными электрическими/тепловыми свойствами — стали маркироваться как «FR-4». В результате указание только «FR-4» почти ничего не говорит о характеристиках, стоимости или конструкции, и две платы, обе обозначенные как «FR-4», могут вести себя совершенно по-разному.

Почему нельзя считать, что для FR-4 существует одно фиксированное значение диэлектрической проницаемости, и к каким проблемам это приводит?

Относительная диэлектрическая проницаемость (er) для материалов класса FR-4 меняется в зависимости от содержания смолы, содержания стекловолокна и частоты измерения; это уже давно не какое-то единое значение «4,7». На практике многие широко применяемые ламинаты имеют значение около 4,0 или ниже, а точное значение зависит от конкретного материала и деталей стека слоев. Предположение о фиксированном er приводит к ошибкам импеданса и тайминга, особенно в высокоскоростных проектах. При построении стека слоев и моделировании разработчикам следует использовать данные, относящиеся к конкретному материалу (зависимость er от частоты, тангенс угла потерь, процентное содержание смолы/стекла), а также сверяться со значением dielectric constant of fr4, указанным в данных каждого поставщика.

Какую роль играют типы плетения стеклоткани и чем spread glass помогает в высокоскоростных проектах?

Тканое стекловолоконное армирование является частью диэлектрика, а рисунок его плетения создает локальные variations соотношения стекла и смолы. У стандартных плетений есть заметные промежутки, которые могут вызывать эффекты glass weave — например, перекос дифференциальных сигналов и джиттер, — когда высокоскоростные трассы случайным образом проходят через области с повышенным содержанием смолы или стекла. Spread glass уменьшает или устраняет эти промежутки, делая диэлектрик более однородным и ослабляя такие эффекты. Чтобы получить этот эффект, следует явно указывать spread glass в примечаниях к изготовлению, а также задавать вариант материала со spread glass в стеке слоев и в основных чертежах.

Какую информацию нужно обязательно запрашивать при выборе ламината из семейства «FR-4»?

Нужно выходить за рамки ярлыка FR-4 и собирать данные по конкретному ламинату, включая: диэлектрическую проницаемость в зависимости от частоты, тангенс угла потерь, содержание смолы, тип(ы) стеклоткани, Tg (температуру стеклования), водопоглощение и пробивное напряжение диэлектрика. Важно иметь эти данные как для core-материалов, так и для препрегов. Многие поставщики теперь публикуют подробные таблицы (например, тип стеклоткани и содержание смолы для каждого варианта толщины); используйте их для построения предсказуемого стека слоев и управления целостностью сигналов. Если есть сомнения, запросите fr4 material datasheet, чтобы проверить эти параметры.

Как обеспечить согласованность между прототипом и серийными платами, и почему это критично?

Точно задавайте материал (включая тип стеклоткани, содержание смолы и необходимость применения spread glass) и обеспечивайте соблюдение этих требований от прототипа до массового производства. Не допускайте замен «ради экономии» без согласования с инженерной командой — на первый взгляд незначительные изменения (например, однослойная или двухслойная стеклоткань) могут привести к отказам и дорогостоящей переделке. Добавляйте на плату тестовые структуры и требуйте маршрутный документ для отслеживания точных материалов и процесса, использованных в каждой сборке. Последовательность крайне важна, поскольку современные высокоскоростные проекты не оставляют запаса на неконтролируемые изменения материалов.