在PCB的板材選擇時,常常提到的FR-4是對一類玻璃纖維增強環氧樹脂材料的簡稱。但嚴格來講FR-4不是一種材料名稱,而是材料的防火等級。
FR-4 PCB
FR-4的規格標準是由NEMA(美國電器制造商協會)制定,NEMA分類標準中的FR表示Flame-Retardant (阻燃的) 。FR-4表示樹脂為環氧樹脂,增強材料為玻璃纖維布,阻燃等級為UL94 V-0的板材。
目前電路板所用的FR-4等級材料的種類非常多,但多數都是以四功能(Tera-Function)的環氧樹脂加上填充劑(Filler)以及玻璃纖維所做出的復合材料。
PCB的基材不同,阻燃等級也不相同,劃分如下:
酚醛紙基板是以酚醛樹脂為粘合劑,以木漿纖維紙作為表層增強材料。XPC、XXPC為非阻燃型,FR-1、FR-2、FR-3為阻燃型。成本低,主要用在玩具,收音機,電話,計算器等產品。
環氧玻璃纖維布基板,俗稱:環氧板、玻纖板、纖維板,FR-4。是以環氧樹脂做粘合劑,以電子級玻璃纖維布做增強材料的一類基板,FR-4,FR-5均為阻燃型。
環氧玻纖布覆銅板強度高,耐熱性能好,介電性好,是覆銅板中用途最廣,用量最大的一類。廣泛用于移動通訊,數字電視,消費電子等產品中。
CEM系列覆銅板,常見的是其中CEM-1和CEM-3。CEM系列的復合基覆銅板在機械性和制造成本上,介于環氧-玻纖布基板和酚醛-紙基板之間。
目前CEM-3覆銅板的電氣性能,已經不亞于一般FR-4型玻纖布基環氧型覆銅板。CEM-3在機械鉆孔加工性方面,較優于FR-4。有的CEM-3產品,在耐漏電起痕性(CTI)、板的尺寸精度、尺寸穩定性等方面,已優于一般FR-4產品。
FR-4基材的指標包括:玻璃化轉變溫度(Tg)、基材的熱分解溫度(Td)、損耗因子(Df)、介電常數(Dk)、相對漏電起痕指數(CTI)、熱膨脹系數(CTE)、吸水率、材料的附著力特性等。
以Isola、Nelco和Ventec的FR-4板材為例:
Tg值,指的是材料從一個相對剛性“玻璃”狀態轉變為易變形狀態的溫度點。只要沒達到熱分解溫度(Td),這種熱力學變化是可逆的,當冷卻至Tg值以下時,材料可以變回剛性狀態。當超過熱分解溫度時,FR-4會發生分解失效。
業界通常根據Tg值,把FR-4板材劃分為高、中、低三檔:
低Tg FR-4:Tg值在135℃左右;
中Tg FR-4:Tg值在150℃左右;
高Tg FR-4:Tg值在170℃左右。
如果PCB加工時壓合次數多、PCB層數多、焊接溫度高(≥230℃)、工作溫度高(超過100℃)、焊接熱應力大(如波峰焊接),時應選擇高Tg板材。
介電常數和介質損耗角是介質的兩個基本屬性,這兩個參數會隨著頻率的改變而變化,損耗因子(Df)越大,其衰減越大。介電常數(Dk)影響更多的是阻抗。
FR-4可以根據損耗因子(Df)分為:
普通損耗板材:Df≥0.02
中損耗板材:0.01≤Df<0.02
低損耗板材:0.005≤Df<0.01
超低損耗板材:Df<0.005
相對漏電起痕指數(Comparative Tracking Index),用來度量絕緣材料的電擊穿(電痕破壞)性能。漏電起痕發生在絕緣材料表面,由于介質損耗的存在,電介質發熱升溫,引起電介質分解碳化,最終延伸至電極導致短路。
材料的CTI值與其絕緣性能正相關。高CTI值意味著要求的爬電距離更低,兩個導體間的距離會更近。
對于飛機船舶等工作場景,高壓大電流工作條件的產品,對于絕緣條件要求高可以選擇CTI高的FR-4板材。
盡管FR-4價格低廉、具有可加工性好、電性能穩定、機械強度高、耐高溫等優點,但是在高速、高頻和高功率等應用場景,FR-4就表現出了自身的局限性。
當信號的傳播速率提升,傳播距離變長時,信號的板內傳播損耗在layout時就必須重視。FR-4的損耗因子Df值約為0.020,而大多數高速板材的Df值約為0.004,僅為FR-4的Df值的四分之一。Df值越小,信號傳播損耗越小。
隨著信號頻率的增加,FR-4的損耗因子Df會大幅增加。如下圖對比了FR-4和Rogers RO4350B(高速材料)每英寸走線信號損耗(dB)的關系。
從圖中可以看出,隨著信號頻率的增加,FR-4的信號損耗幾乎呈線性增長,而高頻板材的損耗則逐漸收斂。因此在高速PC設計時,要根據信號的傳輸頻率選擇匹配的板材。
介電常數(Dk)影響PCB走線的阻抗,阻抗不連續會導致信號出現上升沿過沖,反射,振鈴等現象。介電常數(Dk)同樣會隨著頻率的增加而變化,FR-4材料參數的偏差最高會達到10%,而高速材料會控制到2%。
材料本身的特性決定了FR-4板材的阻抗控制的上限,因而需要考慮PCB上阻抗線的阻抗控制精度能否滿足設計要求。
在產品熱設計階段,PCB的熱設計也是關鍵一環,如何設計散熱通路?不同材料的導熱率是多少?都需要考慮到。
PCB的熱導率(κ、λ 或 κ)定義為熱量從熱源傳遞到 PCB較冷區域的速率。FR-4的導熱率一般在0.3~0.4 W/m·K范圍內,熱導性能較差。在高功率場景下,可以考慮使用導熱率高的板材,也可以使用嵌銅柱、埋銅塊或者使用金屬基板來增強PCB的導熱率。
FR-4不能長時間暴露于高溫環境中,板材容易發生變形彎曲。比如無鉛回流焊的加工溫度最高會達到250°C,已經高出很多FR-4板材的Tg值。
基板受熱后產生的的脹縮應力會造成元器件出現焊接斷裂,虛焊等現象。特別是PCBA上出現尺寸大于 3.2×1.6mm的元器件時,尤其要注意選擇低膨脹系數的板材。