Vật liệu PCB FR-4 không phải loại nào cũng giống nhau

Trong ngành PCB, “FR-4” là một cách gọi rất phổ biến đối với vật liệu laminate. Ở một mức độ nào đó, việc xem FR-4 như một loại laminate cụ thể là một trong nhiều ngộ nhận đã tồn tại lâu nay trong toàn ngành. Bài viết này sẽ đề cập đến lịch sử của thuật ngữ FR-4, ý nghĩa thực sự của nó, các chỉ số định lượng liên quan, và những vấn đề đặc trưng cần quan tâm khi lựa chọn laminate phù hợp cho từng thiết kế.

Nguồn gốc của FR-4

Nếu bạn tìm hiểu thuật ngữ FR-4, gần như mọi tài liệu tham khảo đều định nghĩa nó là một loại laminate epoxy gia cường sợi thủy tinh. Về cơ bản, định nghĩa trên Wikipedia là:

FR-4 là cấp phân loại theo NEMA (National Electrical Manufacturers Association - Hiệp hội Các nhà Sản xuất Điện Quốc gia) dành cho vật liệu laminate epoxy gia cường sợi thủy tinh. FR-4 là một vật liệu composite được tạo thành từ vải sợi thủy tinh dệt kết hợp với chất kết dính nền nhựa epoxy có khả năng chống cháy (tự dập lửa).

Định nghĩa này về FR-4 phổ biến đến mức nhiều người tham gia phát triển sản phẩm PCB đã quen dùng FR-4 như một tên gọi laminate theo cách này.

Thực tế là FR-4 không phải và chưa bao giờ là một vật liệu laminate. Đúng hơn, đây là một cấp xếp hạng UL có nghĩa là “chống cháy cấp 4”. Nếu nhìn lại đủ xa trong lịch sử PCB, khi đó chỉ có hai lựa chọn laminate: polyimide và vật liệu nền epoxy. Nếu bạn thiết kế sản phẩm hàng không vũ trụ thì sẽ dùng polyimide vì hệ nhựa này chịu được nhiệt độ cao hơn. Tuy nhiên, nó cũng có rất nhiều nhược điểm — đắt tiền, khó sản xuất, và một trong những vấn đề lớn nhất là hút ẩm. Điều này có nghĩa là bạn phải sấy khô bo mạch làm từ polyimide, sau đó phủ conformal coating lên để ngăn các vấn đề rò điện nghiêm trọng.

Vật liệu “nguyên bản” còn lại là epoxy. Epoxy rẻ hơn, dễ sản xuất hơn và là loại nhựa được dùng phổ biến nhất. Nhưng vật liệu này không chịu được nhiệt độ cao. Vì vậy, nó trở nên mềm trong quá trình hàn, khiến bo mạch dễ bị cong vênh. Ngoài ra, thuật ngữ “epoxy” không chỉ một loại nhựa cụ thể nào, mà là một nhóm laminate.

Vì thế, dựa trên hai lựa chọn laminate ban đầu này, FR-4 dần được hiểu là “không phải polyimide”, nhưng điều đó hoàn toàn không có nghĩa mọi bo mạch FR-4 đều giống nhau. Thực tế, hoàn toàn có thể tạo ra 50 loại bo mạch khác nhau, tất cả đều đáp ứng phân loại “FR-4”, nhưng khác nhau về hình thức, hiệu năng và mức chi phí.

Ngay cả khi ngành công nghiệp đã vượt ra ngoài các vật liệu thuần epoxy, tên gọi FR-4 vẫn được giữ lại vì các hệ nhựa mới cũng không phải polyimide. Ví dụ, để khắc phục các nhược điểm của hệ epoxy, hiện nay chúng ta có một số hỗn hợp epoxy với nhiều đặc tính nhiệt độ khác nhau. Một trong số đó được gọi là “High-Tg FR-4”, nhằm xử lý các vấn đề Tg thấp (nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh) liên quan đến bo mạch nền epoxy.

Điều thực sự quan trọng

Cùng với lá đồng và lớp gia cường bằng sợi thủy tinh dệt, hệ nhựa là một trong những thành phần chính của hệ vật liệu bo mạch. Và trong hệ nhựa đó, một trong những tính chất quan trọng nhất là điện môi (cách điện). Tính chất điện môi ảnh hưởng đến trở kháng và vận tốc truyền sóng là hằng số điện môi tương đối (er). Như thể hiện trong Bảng 1, tính chất này thay đổi theo cả hàm lượng nhựa và tần số đo.

Bảng 1. Các tính chất của một hệ laminate Hi Tg FR-4 điển hình

Khi mọi người dùng “FR-4”, họ thường cho rằng tồn tại một hằng số điện môi chung cho mọi vật liệu FR-4. Cụ thể, họ cho rằng FR-4 đồng nghĩa với vật liệu có er bằng 4,7. Giá trị er này đã không còn tồn tại suốt 30 năm nay, nhưng giả định đó lại là nguồn gốc của rất nhiều sai số trở kháng. Bảng 2 cho thấy er của các laminate thường dùng, và không loại nào cao hơn nhiều so với 4,0. Các thông tin quan trọng khác còn bao gồm Tan (f) - hệ số tổn hao, DBV (điện áp đánh thủng điện môi) và WA (độ hút nước).

Bảng 2. Tính chất của một số hệ vật liệu PCB thông dụng

• Tg = nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh
• WA = độ hút nước
• DBV = điện áp đánh thủng điện môi
• Tan (f) = hệ số tổn hao
• er = hằng số điện môi tương đối

Tất cả các vật liệu đều có lớp gia cường bằng sợi thủy tinh dệt, ngoại trừ Teflon.

Chỉ định laminate tốt nhất cho thiết kế của bạn

Một trong những vấn đề đã đeo bám ngành trong nhiều năm là trước đây các bảng dữ liệu vật liệu không cung cấp đủ thông tin để những người phát triển sản phẩm có thể lựa chọn laminate dựa trên các tham số hiệu năng của thiết kế. Trong danh mục rộng của “FR-4”, nhiều vật liệu chỉ được mô tả là “điển hình” mà không có đủ chi tiết để đảm bảo chọn đúng laminate cho một thiết kế sản phẩm cụ thể.

Khi các thiết kế trở nên phức tạp hơn, nhu cầu tinh chỉnh sâu hơn thông tin về laminate tăng theo cấp số nhân. Ví dụ, trong những năm gần đây, một thách thức phổ biến là thiếu thông tin về kiểu dệt sợi thủy tinh. Việc không có thông tin này đã dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng về jitter và skew. May mắn là hiện nay các nhà sản xuất laminate đã cung cấp thông tin về kiểu dệt sợi thủy tinh như minh họa trong Bảng 3.

Bảng 3. Danh sách các kiểu dệt sợi thủy tinh có trong laminate PCB

Sự khác biệt giữa các kiểu dệt này đối với một số vật liệu ví dụ được trình bày dưới đây. Các vật liệu cấp FR4 này trải trên một dải giá trị hằng số điện môi khá rộng, phụ thuộc vào loại sợi thủy tinh và hàm lượng nhựa được sử dụng trong vật liệu laminate. Các khoảng hở trong kiểu dệt sợi thủy tinh có thể thấy rất rõ, và trước khi sợi thủy tinh trải cơ học trở nên phổ biến, chính các khoảng hở này là nguyên nhân gây ra các hiệu ứng fiber weave nghiêm trọng. Các ví dụ vật liệu bên dưới là dành cho prepreg cấp FR4 trong các vật liệu thương mại hiện có, nhưng những hình ảnh tương tự cũng có thể thấy ở vật liệu core.

Các vật liệu mới hơn và các phiên bản tiên tiến hơn của các vật liệu truyền thống ngày càng chuyển sang dùng sợi thủy tinh trải. Các kiểu dệt thủy tinh tiêu chuẩn vẫn giữ các khoảng hở như trong hình trên, điều này từng dẫn đến việc phải áp dụng các kiểu đi dây zíc zắc sáng tạo cho các bus song song tốc độ cao và các cặp vi sai.

Nhờ có sợi thủy tinh trải, ngày nay điều đó ít còn cần thiết hơn nhiều, miễn là sợi thủy tinh trải được chỉ định trong ghi chú chế tạo của thiết kế. Nhà thiết kế cũng có thể chỉ định một vật liệu thương mại được chế tạo với sợi thủy tinh trải, và vật liệu này cần được nêu rõ trong ghi chú chế tạo cũng như bảng stackup trong bộ bản vẽ tổng thể.

Không phải mọi nhà cung cấp vật liệu PCB đều cung cấp cùng một mức độ thông tin về các kiểu dệt sợi thủy tinh cụ thể hoặc về việc vật liệu có chứa sợi thủy tinh trải hay không. Ví dụ, một thương hiệu vật liệu nhất định có thể có các tùy chọn laminate bao gồm sợi thủy tinh trải hoặc sợi thủy tinh tiêu chuẩn, hoặc vật liệu đó có thể được cung cấp với một trong hai loại. Bảng 4 cho thấy một ví dụ về thông tin laminate bao gồm kiểu thủy tinh và hàm lượng nhựa cần thiết để thiết kế stackup.

Bảng bên dưới cho thấy dữ liệu về hàm lượng nhựa, loại sợi thủy tinh và hằng số điện môi của hệ laminate FR408HR từ Isola Group. Lưu ý rằng bảng này chỉ áp dụng cho core, nhưng cũng có một bảng tương ứng cho prepreg. Cũng cần lưu ý rằng Isola từ lâu đã làm rất tốt việc công khai thông tin này hoặc cung cấp theo yêu cầu.

Bảng 4. Thông tin laminate điển hình cần thiết để thiết kế stackup PCB

Từ tạo mẫu đến sản xuất

Cũng như các khía cạnh quan trọng khác của thiết kế, điều bắt buộc là đội ngũ kỹ thuật phải cực kỳ cụ thể khi xác định một loại laminate cho sản phẩm, đồng thời cũng phải nghiêm ngặt tương đương trong việc đảm bảo đúng loại laminate đó được sử dụng xuyên suốt toàn bộ chu trình sản xuất, từ tạo mẫu đến sản xuất hàng loạt. Đôi khi, nhà sản xuất vì muốn tối ưu chi phí sẽ thay vật liệu này bằng vật liệu khác để “tiết kiệm” cho khách hàng. Loại tình huống này đã xảy ra khoảng năm năm trước khi một nhà sản xuất thay bằng loại vật liệu dùng sợi thủy tinh một lớp rẻ hơn thay vì loại hai lớp đúng theo thiết kế nhưng đắt hơn. Kết quả là các bo mạch bị lỗi, và nhà sản xuất phải mua lại toàn bộ các bo đã lắp ráp, mỗi bo chứa lượng linh kiện trị giá khoảng 5–6 nghìn đô la.

Thực tế là ngành của chúng ta đã hình thành một thói quen không tốt: để nhà chế tạo thay đổi artwork, stackup hoặc vật liệu như một phần quy trình thường lệ hoặc như một cách “tiết kiệm” tiền cho khách hàng. Điều này có thể không ảnh hưởng nhiều khi tốc độ thiết kế còn thấp, nhưng mức tự do như vậy là không thể chấp nhận được với các thiết kế tốc độ cao ngày nay. Đó là lý do vì sao cần tích hợp các cấu trúc kiểm thử vào bo mạch và phải đảm bảo một “traveler” đi xuyên suốt nhà máy chế tạo cùng với từng bo. Những người phát triển sản phẩm nên yêu cầu tài liệu này để có thể biết chính xác những vật liệu nào đã được dùng cho bo mạch của họ trong toàn bộ chu trình phát triển sản phẩm.

Tóm tắt

Mặc dù việc dùng FR-4 như một tên gọi laminate có cơ sở lịch sử, nhưng điều đó không có nghĩa nó cung cấp các chỉ số hiệu năng. Trên thực tế, việc dùng vật liệu “FR-4” cho một thiết kế cụ thể có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng, bao gồm cả hỏng sản phẩm. Để đảm bảo sản phẩm hoạt động đúng như thiết kế ngay từ lần đầu tiên, bạn phải đưa các đặc tính quan trọng liên quan đến hiệu năng vào quyết định lựa chọn vật liệu cuối cùng. Đồng thời, cũng cần bắt buộc sử dụng cùng một loại laminate trong suốt chu trình sản xuất, từ mẫu thử cho đến sản xuất hàng loạt.

Dù bạn cần chế tạo các hệ thống điện tử công suất đáng tin cậy hay các hệ thống số tiên tiến, Altium Develop kết nối mọi bộ môn thành một lực lượng cộng tác thống nhất. Không còn các rào cản biệt lập. Không còn giới hạn. Đây là nơi các kỹ sư, nhà thiết kế và nhà đổi mới cùng làm việc như một thể thống nhất để đồng sáng tạo mà không bị ràng buộc. Trải nghiệm Altium Develop ngay hôm nay!

Tài liệu tham khảo

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

Câu hỏi thường gặp

"FR-4" thực sự có nghĩa là gì, và vì sao dùng nó như một thông số laminate lại gây hiểu nhầm?

FR-4 không phải là một vật liệu laminate cụ thể; đó là một cấp đánh giá khả năng chống cháy theo UL, nghĩa là "cấp 4 chống cháy." Trong lịch sử, khi các lựa chọn chủ yếu là hệ polyimide hoặc epoxy, "FR-4" đã trở thành cách gọi tắt cho "không phải polyimide." Theo thời gian, nhiều hệ nhựa nền epoxy và nhựa pha trộn khác nhau—một số có Tg cao và các đặc tính điện/nhiệt đa dạng—đều được gắn nhãn "FR-4." Vì vậy, chỉ định "FR-4" đơn thuần gần như không nói lên điều gì về hiệu năng, chi phí hay cấu trúc, và hai bo mạch cùng được gọi là "FR-4" có thể có đặc tính hoạt động rất khác nhau.

Tại sao tôi không thể giả định một hằng số điện môi duy nhất cho FR-4, và điều đó gây ra những vấn đề gì?

Hằng số điện môi tương đối (er) của các vật liệu thuộc nhóm FR-4 thay đổi theo hàm lượng nhựa, hàm lượng sợi thủy tinh và tần số đo; trong nhiều thập kỷ qua, nó không còn là một giá trị "4.7" cố định. Trên thực tế, nhiều laminate được sử dụng phổ biến có giá trị vào khoảng hoặc thấp hơn ~4.0, và giá trị chính xác phụ thuộc vào vật liệu cụ thể cũng như chi tiết stackup. Việc giả định một er cố định sẽ dẫn đến sai số về trở kháng và timing, đặc biệt trong các thiết kế tốc độ cao. Các nhà thiết kế nên sử dụng dữ liệu riêng theo từng vật liệu (er theo tần số, loss tangent, tỷ lệ nhựa/sợi thủy tinh) khi xây dựng stackup và mô phỏng, đồng thời tham khảo dielectric constant of fr4 được cung cấp trong dữ liệu của từng nhà cung cấp.

Kiểu dệt sợi thủy tinh đóng vai trò gì, và spread glass hỗ trợ các thiết kế tốc độ cao như thế nào?

Lớp gia cường bằng sợi thủy tinh dệt là một phần của điện môi, và kiểu dệt của nó tạo ra các biến thiên cục bộ trong tỷ lệ sợi thủy tinh so với nhựa. Các kiểu dệt tiêu chuẩn có những khoảng hở nhìn thấy được, có thể gây ra các hiệu ứng fiber-weave—như lệch pha vi sai và jitter—khi các đường mạch tốc độ cao vô tình đi qua các vùng giàu nhựa hoặc giàu sợi thủy tinh. Spread glass làm giảm hoặc loại bỏ các khoảng hở này, giúp điện môi đồng đều hơn và giảm thiểu các hiệu ứng đó. Để tận dụng lợi ích này, hãy chỉ định rõ spread glass trong ghi chú chế tạo và nêu rõ tùy chọn vật liệu có bao gồm spread glass trong stackup và bản vẽ tổng thể.

Tôi nên yêu cầu những thông tin gì khi chọn một laminate trong nhóm "FR-4"?

Hãy vượt ra ngoài nhãn FR-4 và thu thập dữ liệu cụ thể của laminate, bao gồm: hằng số điện môi theo tần số, loss tangent, hàm lượng nhựa, kiểu sợi thủy tinh, Tg (nhiệt độ chuyển thủy tinh), độ hút ẩm và điện áp đánh thủng điện môi. Hãy đảm bảo bạn có các thông tin này cho cả lõi và prepreg. Hiện nay, nhiều nhà cung cấp đã công bố các bảng dữ liệu chi tiết (ví dụ: loại sợi thủy tinh và hàm lượng nhựa cho từng tùy chọn độ dày); hãy dùng chúng để xây dựng stackup có thể dự đoán được và kiểm soát signal integrity. Khi cần, hãy yêu cầu fr4 material datasheet để xác minh các thông số này.

Làm thế nào để giữ cho bo mạch nguyên mẫu và bo mạch sản xuất đồng nhất, và tại sao điều này lại quan trọng?

Hãy chỉ định chính xác vật liệu (bao gồm kiểu sợi thủy tinh, hàm lượng nhựa và việc có yêu cầu spread glass hay không) và áp dụng nhất quán từ giai đoạn nguyên mẫu đến sản xuất hàng loạt. Không cho phép thay thế vật liệu "để tiết kiệm chi phí" nếu chưa có phê duyệt từ bộ phận kỹ thuật—những thay đổi tưởng như nhỏ (ví dụ: sợi thủy tinh một lớp so với hai lớp) có thể gây lỗi và khiến chi phí sửa đổi tăng cao. Hãy thêm các cấu trúc kiểm tra trên bo mạch, và yêu cầu tài liệu traveler để theo dõi chính xác vật liệu và quy trình được sử dụng cho từng lần chế tạo. Tính nhất quán là yếu tố thiết yếu vì các thiết kế tốc độ cao ngày nay không còn dung sai cho những thay đổi vật liệu không được kiểm soát.