FR-4 ist das gebräuchlichste Material, das für Leiterplatten verwendet wird und aus Glasfaser und Epoxidharz besteht. Es ist stark, leicht und bietet eine gute Isolierung, wodurch es für viele elektronische Geräte bestens geeignet ist. In diesem Artikel werden die Struktur, Eigenschaften, Qualitäten, Einschränkungen und Konstruktionsfaktoren von FR-4 erläutert und detaillierte Informationen darüber bereitgestellt, wann und wie es verwendet werden sollte.
FR-4 Übersicht
FR-4 ist das gebräuchlichste Material, das zur Herstellung von Leiterplatten (PCBs) verwendet wird. Es besteht aus Glasfaser und Epoxidharz, wodurch es sowohl stark als auch gut bei der Isolierung von Elektrizität ist. Das FR bedeutet flammhemmend, was bedeutet, dass es brennend widerstehen kann, aber das bedeutet nicht immer, dass es die strenge Brandschutznorm UL 94 V-0 erfüllt.
Dieses Material ist beliebt, weil es leicht, langlebig und erschwinglich ist. Es widersteht auch Feuchtigkeit und Hitze, was dazu beiträgt, dass elektronische Schaltkreise stabil bleiben. Ein weiterer Grund, warum FR-4 verwendet wird, ist, dass es ohne große Kosten leicht zu einlagigen oder mehrschichtigen Platten geformt werden kann.
FR-4 Laminat-Struktur
Dieses Bild zeigt den Schichtaufbau eines FR-4-Laminats; das am häufigsten verwendete Material in Leiterplatten (PCBs). Oben und unten bilden Kupferfolien die leitfähigen Schichten, die später in Schaltungsmuster geätzt werden. Zwischen diesen Kupferblechen liegt der Kern: ein mit Epoxidharz imprägniertes Glasgewebe. Das Glasgewebe sorgt für mechanische Festigkeit und Dimensionsstabilität, während das Epoxidharz die Fasern bindet und die Steifigkeit erhöht. Zusammen bilden sie eine isolierende und dennoch langlebige Basis. Die Kombination aus Kupferfolie, Glasfaser und Epoxidharz macht FR-4 stark, schwer entflammbar und ideal zum Stützen und Schützen von Leiterplattenleiterbahnen.
Elektrische Eigenschaften von FR-4
| Parameter | FR-4 Baureihe |
|---|---|
| Dielektrizitätskonstante (Dk) | 3,8 – 4,8 |
| Verlustfaktor (Df) | \~0,018 – 0,022 |
| Spannungsfestigkeit | >50 kV/mm |
| Stabilität | Variiert je nach Häufigkeit und Glasgewebe |
Thermische Eigenschaften von FR-4
| Eigenschaft | Norm FR-4 | Hochwertiger FR-4 |
|---|---|---|
| Glasübergangstemperatur (Tg) | 130–150 °C | ≥180 °C |
| Zersetzungstemperatur (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Zeit bis zur Delamination (T260 / T288) | Geringerer Widerstand | Höhere Widerstandsfähigkeit |
FR-4 Dicken- und Aufbauoptionen
| Dicke / Typ | Vorteile | Einschränkungen | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Dünn (<0,5 mm) | Leicht, kompakt und flexibel einsetzbar | Zerbrechlich, schwieriger bei der Montage zu handhaben | Standard (1,6 mm) | Industriestandard, weit verbreitet, kostengünstig | Kann ultrakompakte oder hochdichte Designs begrenzen | Dick (>2 mm) | Bietet Steifigkeit und bessere Beständigkeit gegen Vibrationen | Erhöht das Gesamtgewicht und die Kosten |
| Kundenspezifische Multilayer-Aufbauten | Ermöglicht die Impedanzkontrolle, unterstützt Hochgeschwindigkeitssignale und verbessert die EMI-Abschirmung | Erfordert präzise Fertigungsprozesse, teurer |
Verwendung von FR-4 für das PCB-Design
• Unterhaltungselektronik - Es bietet ein stabiles Basismaterial, das dem täglichen Gebrauch und dem grundlegenden Strombedarf gewachsen ist.
• Industrielle Steuerungen und Automatisierung - FR-4 bietet eine konstante Leistung in Systemen, die Langlebigkeit und gleichbleibende Funktion über die Zeit erfordern.
• Netzteile und Wandler - Für Schaltungen, die unterhalb sehr hoher Frequenzen arbeiten, bietet FR-4 Isolierung und Leistung, die den Anforderungen entsprechen.
• Kostensensitive Designs - Wenn es auf Budgets ankommt, können Sie mit FR-4 die Produktionskosten senken, ohne auf Zuverlässigkeit verzichten zu müssen.
Grenzwerte von FR-4 und bessere Alternativen
Wenn FR-4 nicht geeignet ist
• Hochfrequenzschaltungen - Oberhalb von etwa 6–10 GHz verursacht FR-4 einen höheren Signalverlust, was es für fortschrittliche HF- oder Mikrowellendesigns ungeeignet macht.
• Extrem hohe Datenraten – Bei Geschwindigkeiten wie PCIe Gen 5 und höher (25+ Gbit/s) fügt FR-4 zu viel Verzögerung und Einfügedämpfung hinzu, wodurch die Signalintegrität verringert wird.
• Hochtemperaturbedingungen - Standard FR-4 beginnt schneller zu zersetzen, wenn es Temperaturen über etwa 150 °C ausgesetzt wird, was es für den langfristigen Einsatz in solchen Umgebungen unzuverlässig macht.
Alternativen zu FR-4
| Werkstoff | Anwendungsfall |
|---|---|
| Rogers Laminate | HF- und Mikrowellen-Designs, die einen geringen Signalverlust erfordern |
| PTFE-Verbundwerkstoffe | Extrem geringe dielektrische Verluste für präzise Hochfrequenzschaltungen |
| Polyimid | Beständigkeit bei hohen Temperaturen in rauen Umgebungen |
| Keramik | Extreme Leistung und Haltbarkeit unter Belastung |
FR-4 Klassen und Verwendungen
Norm FR-4
Standard FR-4 hat eine Glasübergangstemperatur (Tg) von etwa 130–150 °C. Es ist die gebräuchlichste Sorte, die in der Elektronik, in Bürogeräten und in industriellen Standardsteuerungssystemen verwendet wird.
FR-4 mit hoher Tg
High-Tg FR-4 bietet eine Tg von 170–180 °C oder höher. Diese Sorte ist für bleifreie Lötprozesse erforderlich und wird in der Automobilelektronik, auf Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt und anderen Designs verwendet, die eine höhere thermische Stabilität erfordern.
FR-4 mit hoher CTI
FR-4 mit hohem CTI bietet einen vergleichenden Tracking Index (CTI) von 600 oder höher. Es wird für Stromversorgungen, Umrichter und Hochspannungsschaltungen gewählt, bei denen sichere Kriech- und Luftstrecken erforderlich sind.
Halogenfrei FR-4
Halogenfreies FR-4 hat ähnliche Eigenschaften wie Standard- oder High-Tg-Typen, vermeidet jedoch halogenbasierte Flammschutzmittel. Es wird in umweltfreundlichen Designs verwendet, die den Umweltstandards RoHS und REACH entsprechen müssen.
Probleme mit der Signalintegrität in FR-4
Problemstellung
FR-4 verwendet ein gewebtes Glasgewebe für die Festigkeit, aber dieses Gewebe ist nicht perfekt gleichmäßig. Beim Verlegen von Differentialpaaren kann eine Leiterbahn hauptsächlich über die Glasbündel verlaufen, die eine höhere Dielektrizitätskonstante aufweisen, während die andere Leiterbahn über das Harz verläuft, das eine niedrigere Dielektrizitätskonstante aufweist. Diese ungleichmäßige Belichtung führt dazu, dass sich die Signale mit leicht unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, was zu einem sogenannten Fasergewebe-Skew führt.
Auswirkungen
Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den beiden Signalen führt zu Timing-Fehlanpassungen. Bei hohen Datenraten tritt diese Diskrepanz als differentielle Schiefe, zusätzlicher Jitter und sogar als Schließung des Augendiagramms auf. Diese Effekte können die Signalintegrität verringern und die Leistung von Hochgeschwindigkeits-Kommunikationskanälen einschränken.
Lösungen
Das Verlegen von Differenzialpaaren in einem Winkel von 10 bis 15° zum Gewebe verhindert, dass sich Spuren direkt an den Glasbündeln ausrichten. Die Wahl von Spreizglasgeweben, wie z. B. 3313-Stilen, macht die dielektrischen Eigenschaften auf breiter Front einheitlicher. Die gestaffelte Differenzialpaarung stellt sicher, dass beide Leiterbahnen auf einen ähnlichen Materialmix treffen. Die Budgetverzerrung in Timing-Simulationen ermöglicht es Ihnen, diese Effekte vor der Fertigung vorherzusagen und zu berücksichtigen.
Feuchtigkeits- und Zuverlässigkeitsrisiken in FR-4
Auswirkungen von Feuchtigkeit
• Tg-Reduzierung während des Reflow-Prozesses - Absorbierte Feuchtigkeit senkt die Glasübergangstemperatur, was das Material beim Löten weniger stabil macht und zu Delamination führen kann.
• Dielektrische Degradation - Bei hohen Frequenzen erhöht Feuchtigkeit den dielektrischen Verlust, was die Signalqualität in Designs mit GHz-Geschwindigkeit verringert.
• Leitfähige anodische Filamentierung (CAF) - CAF ist eines der schwerwiegendsten Risiken, das auftritt, wenn Kupferionen unter elektrischer Vorspannung durch das Epoxid wandern und versteckte Leiterbahnen bilden, die Kurzschlüsse zwischen Leiterbahnen oder Durchkontaktierungen verursachen können.
Reduzierung von Feuchtigkeitsproblemen
• Lagern Sie die Bretter trocken und versiegelt, um Feuchtigkeit fernzuhalten.
• Backen Sie die Bretter vor dem Gebrauch, wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt waren.
• Wählen Sie CAF-resistentes FR-4 für Designs mit hoher Dichte oder Hochspannung.
• Befolgen Sie die Abstandsregeln von IPC, um das Risiko von Kurzschlüssen zu verringern.
Faktoren, die Sie vor dem Kauf von FR-4 überprüfen sollten
• Geben Sie die Laminatsorte und das IPC-4101-Schrägstrichblatt an, um Verwechslungen zu vermeiden.
• Fügen Sie die frequenzspezifische Dielektrizitätskonstante (Dk) und den Verlustfaktor (Df) für das vorgesehene Betriebsband hinzu.
• Bestätigen Sie die thermischen Anforderungen mit Tg ≥ 170 °C und Td > 300 °C für bleifreies Löten und langfristige Wärmestabilität.
• Erkennen Sie die Rauheit der Kupferfolie für Hochgeschwindigkeitsschichten, um die Einfügedämpfung zu minimieren.
• Beachten Sie die Bewertung des vergleichenden Tracking-Index (CTI) bei der Entwicklung von Hochspannungspfaden.
• Wählen Sie ein CAF-beständiges Laminat für dichte Durchkontaktierungsfelder oder Hochspannungsanwendungen.
• Fügen Sie Handhabungs- oder Lagerungsanweisungen hinzu, um die Feuchtigkeit zu kontrollieren und Delamination zu verhindern.
• Fordern Sie gespreiztes Glasgewebe für Differentialpaare an, um den Faserversatz zu reduzieren.
Fazit
FR-4 bietet Festigkeit, Isolierung und Kosteneffizienz, weshalb es das Standardmaterial für Leiterplatten bleibt. Dennoch hat es Grenzen bei Hochfrequenz-, Hochgeschwindigkeits- oder Hochtemperaturbedingungen. Wenn Sie die elektrischen, thermischen und Zuverlässigkeitsfaktoren kennen und die richtige Sorte auswählen, können Sie eine stabile Leistung sicherstellen oder bei Konstruktionen auf bessere Alternativen umsteigen.
Häufig gestellte Fragen [FAQ]
Was ist IPC-4101 in FR-4?
Es handelt sich um einen Standard, der FR-4-Laminateigenschaften wie Tg, Dk und Feuchtigkeitsaufnahme definiert.
Wie unterscheidet sich FR-4 von Leiterplatten mit Metallkern?
FR-4 ist für allgemeine Leiterplatten geeignet, während Leiterplatten mit Metallkern Aluminium oder Kupfer für eine bessere Wärmeableitung verwenden.
Kann FR-4 in flexiblen Leiterplatten verwendet werden?
Nein, FR-4 ist starr. Es kann nur Teil von Starrflex-Designs mit Polyimid-Schichten sein.
Wie hoch ist die Feuchtigkeitsaufnahme von FR-4?
Etwa 0,10–0,20 %, was die Stabilität verringern kann, wenn es nicht richtig gebacken oder gelagert wird.
Ist FR-4 gut für Hochspannungsschaltungen?
Ja, in Netzteilen und Umrichtern werden hohe CTI-Typen (CTI ≥ 600) verwendet.
Warum ist die Rauheit der Kupferfolie in FR-4 wichtig?
Raue Folien erhöhen den Signalverlust; Glatte Folien verbessern die Leistung bei hohen Geschwindigkeiten.