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PCB資訊

PCB資訊 - FR-4 PCB材料的分類

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PCB資訊 - FR-4 PCB材料的分類

FR-4 PCB材料的分類
2020-11-07
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FR-4也寫成FR4,它既是一個名稱,也是一個標準等級。

FR-4用於製造PCB的有機基板材料包括3個組成部分:樹脂、增强材料以及導電銅箔。


FR-4覆銅板的組成

FR-4作為名稱,它適用於印刷電路板製造中使用玻璃纖維布作為增强材料,樹脂體系為環氧樹脂的層壓板的統稱。

FR-4只是一類板材的統稱。 其中的玻璃纖維布是電子級玻璃纖維被編織成一個薄薄的、像布一樣的材料。 玻璃纖維使FR-4具有必要的結構穩定性。 這個玻璃纖維布被有阻燃添加劑的環氧樹脂所包圍和束縛。 樹脂使材料具有剛性,以及其他物理特性。

FR-4規格由NEMA(美國電器製造商協會)製定,常用的PCB基材等級分類見下錶所示

FR4的組成

FR4的組成

NEMA分類標準中的FR表示Flame-Retardant(阻燃的)或者Fire-Resistant(防火的),也即防火等級,所以FR等級的板材都是阻燃板材,而數位“4”則是將該材料與其他同等級的材料區分開來,4表示樹脂為環氧樹脂,增强材料為玻璃纖維布,阻燃等級為UL94 V-0的這麼一類板材。 而FR-1、FR-2、FR-3的阻燃等級是UL 94V-1,採用的樹脂和增强材料也有所不同。

在1950年代,紙質酚醛覆銅基板問世並大量應用於收音機以及電視機等電氣設備,但這種材質電力絕緣性較低,而且不阻燃。 當時美國發生了多起因電視機電力故障引起的火灾事故,所以NEMA出於電氣安全方面的考慮,劃分了不同的PCB基材等級,主要基於電路板基材的可燃性、高溫穩定性和吸濕性等名額進行等級劃分,但沒有規定基材的電力效能,如介電常數以及損耗角正切等名額。


FR-4只是NEMA基材等級分類裏的一個等級,只代表材料類別,而不是具體材料。 一個常見的問題是,FR-4經常與一個特定的電介質相混淆,比如我們模擬軟件裏的FR-4材料,其默認介電常數為4.2,損耗角正切為0.02,但很多中低損耗的板材也是FR-4等級的材料。

每家PCB板廠的板材庫中,FR4是必備的。 為什麼FR4是PCB板廠的常備板材?

NEMA分類標準

NEMA分類標準

最開始廣泛使用的PCB板材是紙質酚醛覆銅基板,比如XPC、XXXPC,因為材料的價格相對便宜,但它們是非阻燃的材料,在1970年代出現的因電路故障引發的火灾事故之後,主要的電氣設備開始轉向使用阻燃性基材,具有阻燃特性的紙質酚醛覆銅基板FR-1、FR-2的使用逐漸超過非阻燃的XPC、XXXPC基板。

1980年代多媒體隨身設備開始流行,比如隨身聽,BP機等,PCB開始朝著小型化和高密度化發展,多層板PCB的應用也越來越普遍,進而帶動了PCB的基材的發展。


紙基板如XPC、FR-1雖然比環氧玻纖布基板FR-4便宜,但在吸濕性、耐熱性和機械強度方面都不如FR-4。 早期,紙基板通常用於價格敏感的消費類產品而FR-4更多用於工業類產品。

但隨著消費類設備朝著更小、更輕、更薄的方向發展,FR-4板材的使用也在新增。 隨著標準厚度為1.6毫米至0. 8毫米的PCB開始廣泛使用,這時,紙基板的機械強度和防潮性就成了問題。 此外,紙基板不適用於多層板的生產,而且隨著設備小型化的發展,PCB佈線密度越來越高,多層板的市場占比也越來越高。 囙此,儘管FR-4板材的成本相對較高,但消費類產品依然是漸漸的轉向了FR-4板材。

而PCB模範廠廣泛選擇FR-4而沒有採用成本更為低廉的紙基板的另一個重要原因是紙基板不適合採用鑽孔工藝,只適合採用沖孔工藝,而FR-4則非常易於加工。

隨著環氧樹脂以及玻璃纖維布等材料產能的持續擴展,現時標準的FR-4基材已經是一種低成本的材料,具有出色的機械效能和優秀的可加工性,使其深受全球中低成本電子產品製造商的歡迎。


FR4的性能指標

FR-4基材是環氧樹脂體系,所以長期以來,Tg值是最常見的用來劃分FR-4基材等級的名額,也是IPC-4101規範中最主要的性能指標之一。


玻璃化轉變溫度Tg

樹脂體系的Tg值,指的是材料從一個相對剛性或“玻璃”狀態轉變為易變形或軟化狀態的溫度轉變點。 只要樹脂沒有發生分解,這種熱力學變化總是可逆的。 這就是說,當材料從常溫狀態加熱到高於Tg值溫度,然後冷卻至Tg值以下時,它可以變回到之前性質相同的剛性狀態。 但是,當材料被加熱到的溫度遠高於其Tg值時,可能會導致不可逆的相態變化。 這種溫度造成的影響,與材料的類型有很大關係,與樹脂的熱分解也有關係。

通常來說,基材的Tg越高,意味著材料的可靠性越高。 如果式採用的無鉛焊接工藝,還需考慮基材的熱分解溫度(Td)。

其他重要的性能指標包括熱膨脹係數(CTE)、吸水率、材料的附著力特性,以及常用的分層時間測試,如T260和T288測試。 


FR4的多樣性

使用玻璃纖維布作為增强材料,樹脂體系為環氧樹脂而且阻燃等級為UL 94V-0的基材都是FR-4,那這麼一大類的材料有什麼具體的區分沒?

根據Tg值進行劃分

FR-4材料最明顯的區別在於Tg值,根據Tg溫度,一般把FR-4板材分為低Tg、中Tg和高Tg板材。

在業界,通常把135℃左右Tg的FR-4歸為低Tg板材; 把150℃左右Tg的FR-4為中Tg板材; 把170℃左右Tg的FR-4歸為高Tg板材。

如果PCB加工時壓合次數多、或PCB層數多(超過14層)、或焊接溫度高(≥230℃)、或工作溫度高(超過100℃)、或焊接熱應力大(如波峰焊接),應選擇高Tg板材。

FR4的劃分

FR4的劃分

FR-4可以分為:

普通損耗板材(Df≥0.02)

中損耗板材(0.01

低損耗板材(0.005

超低損耗板材(Df<0.005)


不同FR-4板材供應商的FR-4等級的材料也會有不同的效能差异,而且同一供應商的FR4等級下也有不同的產品規格劃分,所以,對於所選用FR-4板材最為精確的指定,需要精確到具體FR-4材料供應商的具體產品型號,比如 ITEQ IT-180A生益 S1141