1. ¿Qué es FR-4?

Al seleccionar Materiales de PCB, FR-4 a menudo se denomina un tipo de material de resina epoxi reforzado con fibra de vidrio. Sin embargo, estrictamente hablando, FR-4 no es un nombre de material, sino una clasificación de grado ignífugo.

FR-4 PCB

El estándar de especificación para FR-4 fue establecido por NEMA (Asociación Nacional de Fabricantes de Equipos Eléctricos). En el sistema de clasificación de NEMA, FR significa Retardante de Llama. FR-4 se refiere a un material laminado que utiliza resina epoxi como matriz, tejido de vidrio tejido como material de refuerzo, y cumple con la clasificación de resistencia al fuego UL94 V-0.

Actualmente, existen muchos tipos demateriales de grado FR-4 utilizados en la fabricación de PCB. La mayoría de ellos son materiales compuestos hechos de resina epoxi tetrafuncional, combinados con rellenos y refuerzo de fibra de vidrio.

La clasificación de resistencia al fuego de una PCB depende de su material base y puede clasificarse de la siguiente manera:

Laminado a base de papel

El laminado de papel fenólico utiliza resina fenólica como aglutinante y papel de fibra de pulpa de madera como material de refuerzo de la superficie. XPC y XXPC son grados no ignífugos, mientras que FR-1, FR-2 y FR-3 son grados ignífugos. Debido a su bajo costo, estos materiales se utilizan principalmente en productos como juguetes, radios, teléfonos y calculadoras.

Laminado de tela de fibra de vidrio

El laminado de fibra de vidrio con resina epoxi, comúnmente conocido como tablero de epoxi, tablero de fibra de vidrio o FR-4, es un tipo de sustrato que utiliza resina epoxi como aglutinante y tela de fibra de vidrio de grado electrónico como material de refuerzo. Tanto FR-4 como FR-5 son grados ignífugos.

Los laminados con revestimiento de cobre reforzados con fibra de vidrio y resina epoxi ofrecen una alta resistencia mecánica, una excelente resistencia al calor y buenas propiedades dieléctricas. Son la categoría más utilizada y de mayor volumen entre los laminados con revestimiento de cobre. Se aplican ampliamente en las comunicaciones móviles, la televisión digital, la electrónica de consumo y otros productos electrónicos.

Laminado Compuesto

Los laminados con núcleo de cobre de la serie CEM, siendo los más comunes el CEM-1 y el CEM-3, son materiales compuestos. En cuanto a las propiedades mecánicas y el coste de fabricación, los laminados compuestos de la serie CEM se sitúan entre los laminados de fibra de vidrio epoxi y los laminados de papel fenólico.

Actualmente, el rendimiento eléctrico de los laminados con capa de cobre CEM-3 no es inferior al de los laminados estándar deFR-4 de fibra de vidrio y epoxi con capa de cobre. En cuanto a la maquinabilidad por perforación mecánica, el CEM-3 es superior alFR-4. Algunos productos CEM-3 también demuestran un mejor rendimiento que el estándarFR-4 en CTI (Índice de Seguimiento Comparativo), precisión dimensional de la placa y estabilidad dimensional.

2. Parámetros de rendimiento de FR-4

Los indicadores de rendimiento de FR-4 incluyen: temperatura de transición vítrea (Tg), temperatura de descomposición térmica (Td) del material base, factor de disipación (Df), constante dieléctrica (Dk), índice de seguimiento comparativo (CTI), coeficiente de expansión térmica (CTE), tasa de absorción de agua y propiedades de adhesión del material, entre otros.

Tomando FR-4 Laminados de Yilong, Nelco y Ventec como ejemplos:

Temperatura de transición vítrea (Tg) y temperatura de descomposición térmica (Td)

El valor Tg (temperatura de transición vítrea) se refiere a la temperatura a la cual un material pasa de un estado relativamente rígido de tipo "vidrio" a un estado más flexible y deformable.

Mientras no se alcance la temperatura de descomposición térmica (Td), este cambio termodinámico es reversible. Cuando el material se enfría por debajo del valor de Tg, puede volver a un estado rígido.

Sin embargo, una vez que la temperatura supera la temperatura de descomposición térmica (Td), elmaterial FR-4 experimentará una degradación y un fallo irreversibles.

En la industria, los laminados FR-4 generalmente se clasifican en tres grados según su Tg (temperatura de transición vítrea):

Baja Tg FR-4: Tg alrededor de 135°C

Medium Tg FR-4: Tg alrededor de 150°C

Alta Tg FR-4: Tg alrededor de 170°C

Cuando la fabricación de PCB implica múltiples ciclos de laminación, un alto número de capas, altas temperaturas de soldadura (≥230 °C), altas temperaturas de funcionamiento (superiores a 100 °C) o un estrés térmico significativo durante el ensamblaje (por ejemplo, soldadura por ola), se deben seleccionar materiales con alta Tg.

Factor de disipación (Df) y constante dieléctrica (Dk)

La constante dieléctrica (Dk) y el ángulo de pérdida dieléctrica son dos propiedades fundamentales de los materiales dieléctricos. Ambos parámetros varían con la frecuencia. Un factor de disipación (Df) más alto resulta en una mayor atenuación de la señal. La constante dieléctrica (Dk) afecta principalmente a las características de impedancia.

Laminados FR-4 pueden clasificarse según su factor de disipación (Df) de la siguiente manera:

Laminados de pérdida estándar: Df ≥ 0.02

Laminados de pérdida media: 0.01 ≤ Df < 0.02

Laminados de baja pérdida: 0.005 ≤ Df < 0.01

Laminados de ultra baja pérdida: Df < 0.005

Índice de Seguimiento Comparativo (CTI)

El Índice de Seguimiento Comparativo (CTI) se utiliza para medir la resistencia al seguimiento eléctrico (ruptura superficial) de los materiales aislantes.

El seguimiento eléctrico ocurre en la superficie de un material aislante. Debido a las pérdidas dieléctricas, se genera calor dentro del material, lo que provoca la descomposición térmica y la carbonización del dieléctrico. Este camino carbonizado se extiende gradualmente hacia los electrodos, provocando finalmente un cortocircuito.

El valor CTI está positivamente correlacionado con el rendimiento de aislamiento del material. Un valor CTI más alto significa una mejor resistencia al seguimiento y permite una distancia de paso requerida más pequeña, lo que significa que la separación entre dos conductores puede reducirse.

Para aplicaciones como sistemas de aeronaves y marinas, donde los productos operan bajo condiciones de alto voltaje y alta corriente, y donde se requiere un alto rendimiento de aislamiento, se deben seleccionar Laminados FR-4 con una alta clasificación CTI.

3. Limitaciones deFR-4 Laminados

A pesar de sus ventajas como el bajo costo, la buena maquinabilidad, el rendimiento eléctrico estable, la alta resistencia mecánica y la buena resistencia al calor, el FR-4 muestra limitaciones inherentes en aplicaciones de alta velocidad, alta frecuencia y alta potencia.

Pérdida de señal

A medida que aumenta la velocidad de propagación de la señal y la distancia de transmisión se vuelve más larga, la atenuación de la señal a bordo se convierte en un factor crítico que debe considerarse durante el diseño del trazado de la PCB.

El factor de disipación (Df) de FR-4 es aproximadamente 0.020, mientras que la mayoría de los materiales de laminado de alta velocidad tienen un valor de Df de alrededor de 0.004, que es solo aproximadamente una cuarta parte del valor de FR-4’. Un valor de Df más bajo resulta en una menor pérdida de transmisión de la señal.

A medida que aumenta la frecuencia de la señal, la Df de FR-4 aumenta significativamente, lo que provoca mayores pérdidas dieléctricas. La figura a continuación compara la relación entre la pérdida de inserción (dB por pulgada de longitud de la traza) para FR-4 y materiales de alta velocidad como el Rogers Corporation RO4350B.

Conclusión

FR-4 sigue siendo el material base de PCB más utilizado debido a su rendimiento equilibrado y ventaja de coste. Sin embargo, las diferentes aplicaciones requieren seleccionar materiales adecuados en función de las demandas eléctricas y térmicas.

Como proveedor profesional de materias primas para PCB, YILONG proporciona FR-4, la serie CEM y otros materiales laminados para apoyar la fabricación fiable de PCB para diversas aplicaciones industriales.

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