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Was ist eine FR4-Leiterplatte? Ein vollständiger Überblick

Inhaltsverzeichnis

Seit vielen Jahren ist die FR4-Leiterplatte der beliebteste Leiterplattentyp. Dies ist immer noch der Fall, auch wenn mehrere andere Substrate auftauchen. Was ist also dieses Material und woraus besteht es? Weitere Informationen zur FR4-Leiterplatte finden Sie unten in der detaillierten Übersicht, beginnend mit der Definition.

Was ist FR4 PCB?

Unter FR4-PCB versteht man eine Art Leiterplatte, die FR4 als Basis- und Prepreg-Material enthält. FR4 in voller Form ist „flammhemmend“. Damit ist ein Material gemeint, das kein Feuer ausbreitet und dem UL94V-0-Standard für Flammschutz entspricht.

Die Zahl „4“ hingegen steht für das glasfaserverstärkte Harz, das zur Herstellung von FR4 verwendet wird. Es stellt einen Standard dar NEMA bezeichnet das Material anhand seiner Eigenschaften.

Zur Herstellung der Leiterplatte FR4 wird das Harz mit Glasfasern vermischt und daraus stabile Platten hergestellt. Zur Flammhemmung werden unterschiedliche Verbindungen zugesetzt. Das können sein auf HalogenbasisB. bromierte Typen oder Nicht-Halogen-Typen.

FR4 in Leiterplatten bietet nicht nur Flammschutz und hervorragende mechanische Festigkeit, sondern auch Isolierung und andere Eigenschaften, wie z. B. die Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten.

FR4-Leiterplatte mit hoher Tg für Raumfahrtanwendungen
FR4-Leiterplatte mit hoher Tg für Raumfahrtanwendungen
Ressource: https://www.researchgate.net

FR4 Leiterplattenmaterial

FR4-Leiterplattenmaterial besteht im Wesentlichen aus folgenden Materialien: Glasfasern, Epoxidharz und mehreren anderen Substanzen; Die genaue Zusammensetzung variiert je nach Hersteller. Im Allgemeinen entstehen diese Arten von FR4-Leiterplatten durch die Verwendung unterschiedlicher Materialzusammensetzungen und -strukturen.

Standard-FR4

Dies ist der herkömmliche FR4 mit grundlegenden Eigenschaften. Es ist auch eines der gebräuchlichsten, wenn es um grundlegende Leiterplattenanwendungen geht. Standard-FR4 verfügt nicht über die High-End-Eigenschaften, die für anspruchsvollere Bedingungen wie extreme Temperaturen und andere Umgebungen vorgesehen sind.

Hoher Tg FR4

Tg bedeutet Glasübergang und Tg-Temperatur das Wärmeniveau, bei dem ein festes Material beginnt, seinen Zustand zu ändern und gummiartig oder weich zu werden. High TG FR4 bedeutet ein PCB-Material, das höheren Hitzeniveaus (über 170 °C) standhalten kann, ohne seine Form zu verändern.

Hoher CTI FR4

CTI steht für Comparative Tracking Index. Bei der Verwendung auf Leiterplatten bezieht es sich auf die Fähigkeit des Laminats, dem in den Kupferbahnen fließenden Strom zu widerstehen. Ein FR4 mit hohem CTI bietet daher einen höheren Widerstandswert für unerwünschte Ströme im Falle von Leckagen.

Halogenfreies FR4

Eine halogenfreie FR4-Leiterplatte enthält keine Halogenverbindungen oder nur in sehr geringen (und vernachlässigbaren) Mengen. Diese Art von FR4-Leiterplattenmaterial wird heute aufgrund der Giftigkeit von Halogenen und der Entwicklung hin zu sichereren Leiterplatten bei Anwendern auf der ganzen Welt zur Norm.

Kupferloses FR4

Kupferfreies FR4 ist eine Platine, die keine Kupferschichten oder Leiterbahnen enthält. Es besteht aus FR4 und verfügt über alle seine Eigenschaften, kann jedoch keinen Strom leiten. Daher wird es hauptsächlich zur Isolierung oder häufiger als Versteifungsplatine in starren flexiblen Leiterplatten verwendet.

FR4-Mehrschichtplatine
FR4-Mehrschichtplatine
Ressource: https://www.youtube.com/watch?v=Ukc_kc5OAhw

FR4-PCB-Design

Abhängig von den erforderlichen Funktionen und Anwendungsanforderungen können FR4-Leiterplatten in vielen verschiedenen Strukturen oder Designs hergestellt werden; unter anderem einseitige, doppelseitige und mehrschichtige Leiterplatten. Diese Gestaltungsmöglichkeiten werden im Folgenden näher erläutert.

Einseitig FR4

Dies ist das grundlegendste Design einer FR4-Leiterplattenplatte. Es besteht aus einer einzelnen Kupferschicht, die durch den FR4-Kern unterstützt wird. Basic elektronische Produkte Verwenden Sie diese Art von Platine, was sie zu einer der gebräuchlichsten macht. Für Anwendungen, bei denen mehr Komponenten untergebracht werden müssen, wird eine doppelseitige Platine verwendet.

FR4 Doppelseitige Leiterplatte

Der Cavalon Sentinel ist das AutoGyro-Premiummodell mit nebeneinander angeordneten Sitzen, verfügbar mit dem neuen hochmodernen und kraftstoffsparenden Rotax XNUMX iS-Motor. doppelseitige Leiterplatte ist fortgeschrittener. Es besteht aus zwei leitfähigen Kupferschichten, zwischen denen sich das FR4-Laminat befindet. Die beiden Seiten machen die Platine vielseitiger, da Hersteller Komponenten auf beiden Oberflächen platzieren können. Dieses Design eignet sich für Anwendungen mit hoher Bauteildichte.

FR4-Mehrschichtplatine

Noch komplexer ist die Mehrschichtplatte, die aus mehr als einer FR4-Platte besteht. Die Anzahl der Schichten hängt von der Anwendung ab und kann zwischen 2 und 16 oder sogar mehr liegen. Um die verschiedenen Schichten zu verbinden, werden winzige Löcher, sogenannte Vias, durch die Platine gebohrt und mit einer Reihe weiterer Funktionen versehen.

Tabelle mit den Materialeigenschaften von FR4-Leiterplatten
Tabelle mit den Materialeigenschaften von FR4-Leiterplatten
Ressource: https://www.researchgate.net

Materialeigenschaften von FR4-Leiterplatten

Gedruckte Schaltungen aus FR4 sind nicht nur schwer entflammbar und bieten gute elektrische Isolationseigenschaften, sondern bieten auch verschiedene Eigenschaften. Diese können für eine Anwendung geeignet sein oder auch nicht. Wenn Sie sie verstehen, können Sie daher die richtige Wahl treffen. Nachfolgend sind wichtige Eigenschaften von FR4-Leiterplatten aufgeführt:

Temperaturbewertung

FR4-Material kann Temperaturen über 345 °C standhalten, bevor es sich zersetzt. Was die Betriebstemperatur betrifft, können Leiterplatten aus diesem Material in einem breiten Temperaturbereich arbeiten, typischerweise zwischen 50 °C und 115 °C. Diese Eigenschaft prädestiniert das Material für vielfältige Anwendungsanforderungen.

Wärmeleitfähigkeit

FR4 bietet nichts Gutes Wärmeleitung, mit einer Leitfähigkeit unter 1 W/mK (Watt pro Kelvin). Dies macht es zu einem schlechten Leiter mit geringer Wärmeableitungsfähigkeit. Allerdings verbessert das Vorhandensein von Kupfer in einer Leiterplatte aus diesem Material die Leitfähigkeit geringfügig.

Dielektrizitätskonstante

Abhängig von verschiedenen Faktoren (Zusammensetzung, Webstruktur, Harzmenge usw.) kann FR4-Leiterplattenmaterial eine haben Dielektrizitätskonstante (Dk) zwischen 3.3 und 4.8. Diese Werte sind jedoch nicht konstant und ändern sich mit steigender Signalfrequenz. Beispielsweise beträgt der Dk-Wert 5 bei 1 MHz und höher, wenn die Frequenz steigt.

Feuchtigkeitsaufnahme

FR4 hat eine geringe Feuchtigkeitsaufnahmerate. Dies verleiht ihm eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Schäden durch Wasser. Bei 0.01-stündigem Eintauchen in Wasser wird eine Absorption von XNUMX % gemessen. Dadurch ist es sowohl für den Einsatz unter trockenen als auch feuchten Bedingungen geeignet.

Signaldichte

Die Dichte einer FR4-Leiterplatte gibt ihr Gewicht-Volumen-Verhältnis an. Die typische Dichte von FR4 beträgt 1.85/cm³. Dies macht es zu einem leichten, aber steifen Material, das für viele verschiedene Zwecke geeignet ist, von Haushaltselektronikprodukten bis hin zu PBs für den Einsatz in tragbaren Kommunikationsgeräten.

Ein Beispiel für eine dünne FR4-Leiterplatte
Ein Beispiel für eine dünne FR4-Leiterplatte
Ressource: https://www.researchgate.net

FR4-Leiterplattendicke

Die Dicke kann die Leistung einer Leiterplatte beeinträchtigen. Beispielsweise kann ein zu dickes Laminat zu Signalproblemen führen. Wenn es zu dünn ist, ist es möglicherweise nicht stark genug elektronische Bauteile oder Bewerbung. FR4-Leiterplatten werden mit Standarddicken hergestellt oder individuell an die Anforderungen angepasst.

Standard Dicke

Die Standard-FR4-Leiterplatte ist normalerweise 1.57 mm dick. Außerhalb dieser Messung kann der Wert bis zu 2.30 mm oder sogar höher betragen. Abhängig von den Anwendungsanforderungen und anderen Anforderungen gibt es auch Platten mit einer Dicke von bis zu 0.78 mm.

Dickentoleranz

Die PPCB-Toleranz definiert die zulässige Variation der Abmessungen der Platine, in diesem Fall ihrer Dicke. Normalerweise wird dieser mit + oder – 10 % berechnet. Nehmen wir als Beispiel an, dass eine FR4-Leiterplatte benötigt wird, um 2 Millimeter mit einer Toleranz von 0.05 zu messen. An der Obergrenze darf die Dicke bis zu 2.05 mm betragen, an der Unterseite jedoch mindestens 1.95 mm.

Schwarze FR4-Leiterplatte, eine der vielen Farboptionen
Schwarze FR4-Leiterplatte, eine der vielen Farboptionen
Ressource: https://www.researchgate.net

Warum FR4-Leiterplatte wählen?

FR4 ist ein beliebtes Material für Leiterplatten. Es verfügt über eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften, die es für verschiedene PCB-Anwendungen geeignet machen. Abhängig von der Art Ihrer Bewerbung oder Ihrem Budget möchten Sie sich möglicherweise aus folgenden Gründen dafür entscheiden:

  • Kostengünstig: FR4-Leiterplattenmaterial kostet weniger als die meisten anderen Optionen wie Metallsubstrate. Dies macht es zu einer attraktiven Wahl für die meisten Leiterplattentypen, von einfachen Designs bis hin zu komplexen, mehrschichtigen Leiterplatten.
  • Ausgezeichnete mechanische Festigkeit: Die FR4-Leiterplatte ist eine robuste Platine, die schwere Komponenten aufnehmen kann. Darüber hinaus ist es stabil genug für den Einsatz unter rauen Bedingungen.
  • Feuchtigkeitsresistent: Durch die Harzbindung ist eine FR4-Platte feuchtigkeitsbeständig und weist eine Absorptionsrate von nahezu Null auf. Sie können es also auch unter feuchten Bedingungen verwenden.
  • Flammschutzmittel: Mit einer Brennbarkeitsklasse von UL94-V0 verbreitet eine FR4-Leiterplatte bei Unfällen kein Feuer, was sie zu einer sicheren Materialoption macht.

Auch FR4 hat seine Grenzen. Aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit kann es beispielsweise Wärme nicht effektiv ableiten. Die Dielektrizitätskonstante ändert sich auch bei höheren Frequenzen, was möglicherweise nicht für Anwendungen geeignet ist, die dies erfordern kontrollierte Impedanz.

Zu den FR4-Alternativen gehören Leiterplatten aus Aluminium und anderen Metallen, Keramik und Polyimid, insbesondere wenn es um flexible Leiterplatten geht, sowie CEM (Verbund-Epoxid-Material).

Zusammenfassung

Die FR4-Leiterplatte ist heute der gebräuchlichste Leiterplattentyp. Da es sich um eine kostengünstige Option handelt und über eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften verfügt, eignet es sich gut als Laminat für ein breites Spektrum an PCB-Anwendungen. Zu den gängigen Branchen, in denen Leiterplatten FR als Kern und Prepreg-Dielektrikum verwenden, gehören die Automobilindustrie, die Unterhaltungselektronik und Industriesysteme.

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