FR4:Quando você pode usá-lo e quando não pode

Ir para:

O que é o material de substrato FR4?

Como o FR-4 é usado em PCBs?

Como selecionar a espessura do FR4

Quando usar o FR4

Gerenciamento de temperatura

Fazendo a escolha:FR4 vs laminado de alta frequência



A maioria dos engenheiros elétricos e indivíduos envolvidos com placas de circuito impresso estão familiarizados com o material FR4. O FR4 é o material de backbone sobre o qual as placas de circuito mais rígidas são construídas. No entanto, muitos não sabem o que é o FR4, muito menos porque é a base de PCB mais popular.

Continue lendo para saber mais sobre as placas de circuito impresso FR4, como o que são, por que são tão populares e como as especificações de PCB FR4 se comparam a outras opções do setor.

O que é material de substrato FR4?

FR4, também escrito como FR-4, é um nome e uma classificação padrão. O nome é aplicado às folhas laminadas epóxi reforçadas com fibra de vidro usadas na fabricação de placas de circuito impresso. No entanto, o nome também funciona como um grau usado para classificar as folhas laminadas de epóxi. A designação indica essencialmente a qualidade básica de uma folha laminada, o que significa que uma variedade de materiais e designs de folha se enquadram na classificação FR4. O “FR” no nome significa retardante de chama, enquanto o 4 diferencia o material de outros da mesma classe.

O material amplamente referido como FR4 é uma estrutura composta. A camada mais básica do material é a fibra de vidro tecida em uma folha fina semelhante a um pano. A fibra de vidro confere ao FR4 a estabilidade estrutural necessária. Esta camada de fibra de vidro mais interna é então cercada e ligada por uma resina epóxi resistente ao fogo. Essa resina é o que confere rigidez ao material, entre outras propriedades físicas.

As folhas FR4 são amplamente populares entre engenheiros e projetistas elétricos como material de base para PCB. O baixo custo e a versatilidade do material, bem como sua riqueza de propriedades físicas benéficas, são responsáveis ​​por essa popularidade. As chapas FR4 são isolantes elétricos com alta rigidez dielétrica. Eles também apresentam uma alta relação resistência-peso e são leves e resistentes à umidade. Adicione isso à sua resistência relativa à temperatura e o material FR4 pode ter um bom desempenho na maioria das condições ambientais.

Solicite um orçamento gratuito

Como o FR-4 é usado em PCBs?

Essas qualidades tornam o FR4 um material de substrato padrão ideal para processos de fabricação de PCB de qualidade. Quando usadas adequadamente, essas propriedades também podem formar as bases de PCBs de alta qualidade e baixo custo.

Dentro de um PCB, o FR4 forma a espinha dorsal isolante primária. Esta é a base sobre a qual a empresa de fabricação constrói o circuito. Uma vez preparada, a placa FR4 é laminada com uma ou mais camadas de folha de cobre usando calor e adesivo. Este cobre forma os circuitos no produto acabado e pode cobrir um ou ambos os lados, dependendo do desenho da placa.



PCBs complexos podem usar mais de um lado ou até mesmo camadas da placa de circuito para produzir circuitos mais sofisticados. A partir daqui, os circuitos são desenhados e gravados antes de serem cobertos com uma camada de máscara de solda, preparando a placa para a camada final de serigrafia e o processo de soldagem subsequente.

Como selecionar a espessura do FR4

Ao solicitar uma placa laminada para um projeto de PCB, o projetista ou engenheiro eletricista deve especificar a espessura do FR4. Isso é medido em unidades baseadas em polegadas, como o milésimo de polegada, ou mil, ou milímetros, dependendo do que for mais apropriado para a configuração. A espessura de uma folha de FR4 varia muito dependendo das necessidades do projeto, mas tende a variar de dez mil a três polegadas.

Embora a espessura da placa possa não parecer um fator significativo no projeto de um PCB, na realidade, é um recurso essencial. A espessura da placa afeta vários aspectos da funcionalidade da placa, razão pela qual vários fatores são considerados na determinação da espessura de uma placa para o projeto. Estes incluem o seguinte.

1. Espaço:mais fino pode ser melhor

Se o espaço preocupa o designer, uma placa FR4 mais fina tende a ser preferível. Este é um fator predominante para a fabricação de dispositivos menores, como conectores USB e muitos acessórios Bluetooth. Mesmo para projetos maiores, PCBs FR4 menores tendem a ser preferidos para economizar espaço dentro do dispositivo.

2. Conexões:a errada pode resultar em danos

Um projeto de PCB de dois lados requer um conector de borda para unir os dois lados. Isso pode ser um fator limitante importante para o tamanho final do PCB, pois os conectores de borda do PCB se encaixam apenas em um conjunto específico de espessuras do PCB. A parte de acoplamento de um conector deve se encaixar perfeitamente na lateral da PCB, ou então corre o risco de escorregar ou danificar a PCB. Esta é uma das principais razões pelas quais o projeto de circuito vem antes de escolher os materiais para o circuito.

3. Correspondência de impedância:essencial para manter a função do conselho

Cada placa multicamada atua como um capacitor nas camadas adjacentes. É por isso que a espessura desta placa é tão importante - a espessura do material PCB FR4 determina a espessura do dielétrico, que por sua vez afeta o valor da capacitância.

Este é um fator especialmente importante para alguns PCBs de alta frequência, como projetos de RF e micro-ondas. Os projetos de alta frequência se concentram na correspondência de impedância como um componente essencial para manter a função ideal da placa, portanto, obter a capacitância certa para cada camada é crucial.

4. Flexibilidade:depende do aplicativo

Placas mais finas podem flexionar em alguma capacidade. Embora seja uma característica incomum, a flexibilidade pode ser uma característica positiva ou negativa, dependendo da aplicação.

Placas mais flexíveis tendem a ser preferíveis em algumas aplicações onde o produto é tensionado ou flexionado regularmente. Por exemplo, aqueles que usam placas para aplicações médicas e automotivas geralmente preferem placas flexíveis devido ao constante estresse e flexão a que essas PCBs são frequentemente submetidas.

No entanto, a flexibilidade pode prejudicar o processo de fabricação do PCB, resultando em sérios problemas posteriormente na montagem. Quando manuseado por uma máquina, uma placa mais flexível pode flexionar quando manuseada por uma máquina de solda, fazendo com que o componente seja soldado em ângulo. Além disso, essa flexão tem o potencial de quebrar componentes e conexões recém-instalados já na placa.

5. Requisitos de projeto:o uso pretendido afeta a espessura do FR4

Placas finas não são preferíveis em todos os casos, principalmente devido às limitações que as placas finas colocam nos planos de PCB. Placas finas de FR4 não podem apresentar ranhuras de forma viável e não podem ser muito grandes sem risco de fratura. Placas mais grossas, no entanto, podem realizar as duas coisas. Sempre leve isso em consideração ao pesar opções entre as espessuras do FR4.

6. Compatibilidade de componentes:pode funcionar com um pequeno intervalo

A espessura de uma placa também pode afetar a compatibilidade dos componentes com a placa. Assim como os conectores de borda, muitos componentes funcionam com uma pequena faixa de espessuras de placa. Isso é especialmente verdadeiro para alguns componentes de furos passantes, por exemplo.

7. Peso:produtos mais leves podem ser mais atraentes

A espessura do FR4, logicamente, afetará o peso do PCB final. Embora o peso seja um problema menor em algumas aplicações, muitas vezes é uma consideração em eletrônicos de consumo. PCBs mais leves tornam os produtos mais leves, o que os torna mais baratos para enviar e, em alguns casos, mais atraentes para os consumidores.

Quando usar o FR4

Muitas aplicações eletrônicas optam por usar a placa FR4 à base de epóxi. Sua resistência, confiabilidade e custo relativamente baixo tornam os substratos epóxi FR4 uma escolha lógica padrão para engenheiros eletrônicos. No entanto, o FR4 não é ideal para todas as situações, especialmente projetos de alta frequência. Para esses projetos, os laminados de alta frequência tendem a ser uma escolha mais comum.

Escolher entre esses materiais pode ser difícil, e é por isso que listamos diretrizes mais detalhadas abaixo.

Ao decidir se construir uma PCB com FR-4 ou um laminado de alta frequência, considere os seguintes recursos principais de cada um.

Custo:FR4 será mais barato

O material FR4 é uma base de PCB muito comum, principalmente por seu custo relativamente baixo. Os laminados de alta frequência, por outro lado, são consideravelmente mais caros, o que é uma desvantagem significativa para projetistas e fabricantes preocupados com custos. Este é o principal fator limitante para as empresas ao escolher entre FR4 e laminados de alta frequência.

Obtenha preços e prazo de entrega

Perda de sinal:menor Df leva a menor perda de sinal

A perda de sinal é, em muitos casos, uma parte crítica de um projeto de PCB, especialmente em situações de alta frequência onde a perda de sinal é um problema maior. Para esses projetos, o FR4 não é a escolha ideal — o FR4 tem um Df ou fator de dissipação mais alto do que os laminados de alta frequência. Isso significa que os circuitos FR4 sofrerão mais perda de sinal do que um circuito idêntico em um laminado de alta frequência.

O Df do FR4 é de cerca de 0,020, enquanto o Df da maioria dos laminados de alta frequência é de cerca de 0,004, um quarto do Df do FR4. Quanto menor o Df, menor a perda de sinal geral. O outro problema é que o Df do FR4 aumenta à medida que a frequência do sinal aumenta, ou seja, à medida que a frequência do sinal aumenta, ocorre mais perda de sinal. Como os laminados de alta frequência têm características Df mais estáveis, eles sofrem menos perda em frequências mais altas.

Estabilidade de impedância:a estabilidade Dk é importante

A impedância estável é outro fator importante para muitos projetos, pois geralmente significa um desempenho mais previsível, especialmente para circuitos maiores ou projetos de alta frequência. Novamente nesta área, o FR4 e os laminados de alta frequência oferecem resultados diferentes. Manter a impedância estável requer que um material mantenha um Dk estável, ou constante dielétrica, em todo o material à medida que a temperatura do material muda.

A este respeito, FR4 não é um material adequado para manter a impedância estável, pois seu valor Dk varia muito dentro de uma única placa e à medida que a temperatura da placa muda. Os laminados de alta frequência não têm valores Dk que variam tão amplamente, permanecendo razoavelmente constantes em toda a área de uma placa à medida que a temperatura muda.

Gerenciamento de temperatura:

O desempenho da temperatura é outro fator a ser considerado ao escolher entre uma placa FR4 ou um laminado de alta frequência para uma base de PCB. Ao comparar o desempenho da temperatura, o coeficiente térmico da constante dielétrica fornece um indicador decente. Este número mede o quanto a constante dielétrica de um material muda com a temperatura:

• Para FR4, esse valor fica em torno de 200 partes por milhão por grau Celsius de mudança de temperatura
• Os laminados de alta frequência apresentam um coeficiente térmico de constante dielétrica de cerca de 40 partes por milhão por grau Celsius.

Embora ambos possam parecer números pequenos, eles oferecem resultados muito diferentes. O coeficiente significativo de FR4 significa que o Dk de uma placa FR4 pode variar consideravelmente em sua área. Em comparação, o menor coeficiente para laminados de alta frequência indica menor variação de temperatura em toda a área da placa. Isso é particularmente importante a ser considerado ao projetar placas destinadas a ambientes mais quentes.

Constante dielétrica:escolha o valor Dk correto

Às vezes, a constante dielétrica de uma placa de circuito pode ser tão importante quanto qualquer outro recurso de uma placa. A constante dielétrica de uma placa de circuito afeta o tamanho das linhas de transmissão de um circuito, especialmente em circuitos de alta frequência, como projetos de RF ou micro-ondas. Quanto menores forem as linhas de transmissão, menor será o próprio circuito.

Portanto, se um tamanho de placa de circuito menor for desejável, um material de placa com um valor Dk mais alto é a melhor escolha. O FR4 apresenta uma constante dielétrica de cerca de 4,5, que é menor do que Dk dos materiais de alta frequência, que geralmente fica em torno de 6,15 a 11. O uso desses materiais Dk de alto valor pode ter resultados significativos, reduzindo 25% ou mais do tamanho do placa de circuito final.

Ambiente operacional:

O ambiente operacional para o circuito é outro aspecto a ter em mente ao escolher entre um FR4 e uma placa laminada de alta frequência. Isso inclui as condições ambientais, como umidade e temperatura. Em ambos os casos, os laminados de alta frequência fornecem mais resistência à umidade e ao calor do que o FR4, o que significa que o ambiente operacional terá um impacto significativamente menor na função do circuito. Esta é uma consideração crítica se o PCB operar em ambientes externos ou industriais extremos.

Em suma, os laminados de alta frequência apresentam uma ampla gama de características físicas, muitas das quais são superiores ao FR4. A única desvantagem que os laminados de alta frequência sofrem em relação ao FR4 é um custo relativamente mais alto, o que é um fator significativo para projetistas focados em custos. A grande decisão, então, é quando as vantagens superam os custos dos laminados de alta frequência.

Fazendo a escolha:FR4 versus laminado de alta frequência

Então, usando todas as informações listadas acima, como um engenheiro elétrico ou projetista de PCB pode escolher entre FR4 e um laminado de alta frequência? Primeiro, o projetista deve listar e comparar os requisitos elétricos e mecânicos da placa final, usando os parâmetros mais específicos possíveis. O projetista deve então examinar quão bem o FR4 atenderá a esses parâmetros em comparação com um laminado projetado para lidar com sinais de alta frequência. Dados mais precisos para cada um dos pontos acima estão prontamente disponíveis usando folhas de dados da indústria.

Em suma, o FR4 é um material amplamente relevante, popular principalmente por seu baixo custo e relativa estabilidade mecânica e elétrica. Embora o material FR4 apresente amplos benefícios e esteja disponível em uma variedade de espessuras e tamanhos, não é a melhor escolha para todas as aplicações, especialmente aplicações de alta frequência, como projetos de RF e micro-ondas. Nestes últimos casos, um laminado de alta frequência é a melhor escolha. Ainda assim, é fácil ver por que o FR4 ainda está em uso tão comum até hoje.

Entre em contato com a Millennium Circuits Limited para descobrir o que atende às suas necessidades

Se você está procurando placas de circuito impresso FR4 ou placas de qualquer outro material, a Millennium Circuits Limited pode ajudar. A MCL fornece placas e circuitos de alta qualidade em qualquer quantidade, mantendo extrema qualidade e entrega no prazo. Desde 2005, nosso negócio em Harrisburg, PA, orgulha-se de fornecer serviços de alta qualidade que atendem aos mais altos padrões internacionais. Oferecemos ainda suporte de engenharia e um cronograma de preços competitivo.



Veja por que a MCL classifica 98% de aprovação em qualidade e 99% de aprovação em desempenho de entrega. Entre em contato conosco hoje para uma cotação rápida e sem compromisso para saber como a MCL pode ajudá-lo.

Solicite um orçamento gratuito