FR-1 i FR-2 to laminaty papierowo-fenolowe do prostych, tanich płytek, FR-3 łączy papier z żywicą epoksydową, a FR-4 — tkaninę szklaną z epoksydem. FR-4 jest standardowym wyborem do płytki drukowanej dwuwarstwowej lub wielowarstwowej z otworami metalizowanymi. Do lutowania bezołowiowego trzeba dobrać odpowiednią odmianę FR-4; FR-1 i FR-2 nie nadają się do bezołowiowego lutowania rozpływowego.
Poszczególne materiały różnią się rodzajem zbrojenia i żywicy, odpornością na temperaturę, wytrzymałością mechaniczną oraz możliwością wykonywania otworów metalizowanych. Właściwy wybór zależy więc od konstrukcji płytki i warunków jej pracy.
Poniżej przedstawiamy osiem najważniejszych różnic między materiałami FR1, FR2, FR3 i FR4 oraz wyjaśniamy, do jakich płytek każdy z nich nadaje się najlepiej.
Typowa płytka drukowana w zbliżeniu
1. FR4: najczęściej używany laminat PCB
Skrót FR odnosi się do materiału o właściwościach ograniczających palność. Spośród laminatów stosowanych do produkcji płytek drukowanych najpopularniejszy jest FR4, czyli tkanina szklana spojona żywicą epoksydową.
FR4 jest uniwersalnym wyborem do większości typowych projektów. Jego stabilność wymiarowa i wytrzymałość mechaniczna sprzyjają wykonywaniu otworów metalizowanych, z którymi laminaty papierowe FR1, FR2 i FR3 radzą sobie znacznie gorzej.
Materiał ten stosuje się zarówno w płytkach jedno- i dwuwarstwowych, jak i w konstrukcjach wielowarstwowych. Standardowy FR4 jest jednak laminatem sztywnym i nie nadaje się do regularnego zginania — w takich zastosowaniach wykorzystuje się obwody elastyczne. Na FR4 powstaje większość elektroniki użytkowej, w tym urządzenia z interfejsem USB lub łącznością Bluetooth.
Próbka laminatu FR4 stosowanego w płytkach drukowanych
2. Różnice w odporności na wysoką temperaturę
Materiał płytki dobiera się do warunków jej pracy. Elektronika użytkowa ma inne wymagania niż urządzenia przemysłowe, szczególnie pod względem temperatury, wilgotności i niezawodności.
Znaczenie ma również odporność na drgania i obciążenia mechaniczne. W porównaniu z laminatami papierowymi FR1, FR2 i FR3 materiał FR4 na ogół lepiej znosi podwyższoną temperaturę oraz cykle cieplne związane z lutowaniem i eksploatacją.
Odmianę FR4 należy dobierać do procesu lutowania i warunków pracy. Temperatura zeszklenia Tg jest parametrem materiału, a nie samodzielnym potwierdzeniem dopuszczalnej temperatury pracy płytki. Wymaganą odporność cieplną trzeba sprawdzić w aktualnej karcie materiału producenta.
Dobór laminatu FR4 musi uwzględniać obciążenie cieplne płytki
3. Skład laminatu: nośnik i żywica
Najważniejszą różnicą między FR1, FR2, FR3 i FR4 jest ich skład. To właśnie rodzaj nośnika i spoiwa w największym stopniu decyduje o właściwościach gotowego laminatu.
Laminaty te mają inną odporność cieplną, wytrzymałość dielektryczną i stabilność mechaniczną. Typowa płytka składa się z podłoża pokrytego miedzią, a po obróbce także z maski lutowniczej i opisu. W najtańszych konstrukcjach niektóre warstwy wykończeniowe mogą być pomijane, lecz rdzeń i miedź pozostają podstawą obwodu.
FR3 wykorzystuje papier impregnowany żywicą epoksydową, natomiast w FR1 i FR2 spoiwem jest żywica fenolowa. FR4 także bazuje na żywicy epoksydowej, ale jest zbrojony tkaniną szklaną zamiast papierem. Ta różnica przekłada się na lepszą odporność termiczną i wilgociową FR4 w porównaniu z laminatami papierowo-fenolowymi.
Skład laminatu wpływa na właściwości całej płytki drukowanej
4. Koszt a wymagania techniczne
Cena laminatu wpływa na koszt gotowej płytki, ale nie powinna być rozpatrywana w oderwaniu od wymagań technicznych. FR1 i FR2 są zbliżonymi, ekonomicznymi laminatami papierowo-fenolowymi, lecz nie nadają się do zastosowań o wysokich wymaganiach.
Większość producentów wybiera FR4, ponieważ zapewnia korzystny kompromis między ceną, dostępnością i parametrami. Nie zawsze jest to najtańszy materiał, lecz dojrzały proces produkcyjny pozwala wykonywać z niego niemal wszystkie popularne rodzaje sztywnych PCB.
Opłacalność zależy zarówno od ceny, jak i wymaganej jakości płytki
5. Różnice między FR3 i FR2
FR2 powstaje z papieru impregnowanego żywicą fenolową. Jest to tani materiał, historycznie często wykorzystywany w masowej produkcji prostych płytek. Nadal spotyka się go w niedrogiej elektronice jednowarstwowej, choć ustępuje FR4 pod względem wytrzymałości i stabilności.
FR1 i FR2 często poddaje się wykrawaniu lub tłoczeniu zamiast wierceniu. Sposób wykonywania otworów należy uwzględnić przy ustalaniu technologii produkcji płytki.
FR3 również ma rdzeń papierowy, ale wykorzystuje żywicę epoksydową. Pozostaje rozwiązaniem budżetowym, oferującym część zalet spoiwa epoksydowego. FR2 nadaje się głównie do prostych płytek jednowarstwowych, ponieważ słabo sprawdza się przy wykonywaniu niezawodnych otworów metalizowanych.
Żywica epoksydowa jest jedną z cech odróżniających FR3 od FR2
6. Montaż przewlekany a otwory metalizowane
W technologii montażu przewlekanego wyprowadzenia elementów przechodzą przez otwory w płytce i są lutowane do pól po przeciwnej stronie. Montaż można wykonywać ręcznie lub za pomocą wyspecjalizowanych maszyn.
Elementy przewlekane można montować także na FR1, FR2 i FR3, zwłaszcza w płytkach jednostronnych. Jeśli projekt wymaga otworów metalizowanych łączących warstwy, FR4 jest znacznie pewniejszym wyborem dzięki większej wytrzymałości mechanicznej i stabilności wymiarowej.
FR4 dobrze sprawdza się w płytkach z otworami metalizowanymi
7. Materiały do płytek wielowarstwowych
Nie każdy laminat nadaje się do budowy wielowarstwowej. W takiej konstrukcji materiał musi umożliwiać wykonanie stosu warstw miedzi rozdzielonych izolacją oraz otworów metalizowanych.
W praktyce przemysłowej standardem dla płytek wielowarstwowych jest FR4. FR2 i FR3 mogą być tańsze, lecz ich papierowy rdzeń nie zapewnia porównywalnej stabilności podczas prasowania stosu warstw, wiercenia i metalizacji otworów.
Jeżeli projekt ma więcej niż jedną warstwę miedzi i wymaga niezawodnych połączeń międzywarstwowych, FR4 będzie zwykle właściwym wyborem. Laminaty papierowe pozostają domeną prostych, niedrogich obwodów jednowarstwowych.
FR4 jest podstawowym materiałem do produkcji płytek wielowarstwowych
8. Właściwości i odmiany FR4
Oznaczenie FR wskazuje na klasę materiału o właściwościach ograniczających palność, a numer 4 odróżnia go od pozostałych laminatów tej grupy. FR4 tworzy tkanina z włókna szklanego nasycona żywicą epoksydową i sprasowana w sztywny arkusz.
Zbrojenie szklane zapewnia laminatowi stabilność wymiarową i wytrzymałość, a żywica epoksydowa spaja strukturę oraz współtworzy jej właściwości elektryczne i odporność na płomień. Konkretne parametry zależą od gatunku FR4 i zastosowanego systemu żywicznego.
Do najważniejszych zalet FR4 w produkcji płytek drukowanych należą:
- korzystna relacja ceny do parametrów,
- wysoka wytrzymałość dielektryczna i dobra izolacja elektryczna,
- niewielka masa przy dobrej wytrzymałości mechanicznej,
- mała chłonność wilgoci,
- dobre właściwości elektryczne w typowych zastosowaniach,
- szeroka dostępność wielu gatunków o różnych parametrach,
- naturalna barwa od jasnożółtej do zielonkawej; typowy zielony kolor gotowej PCB pochodzi jednak z maski lutowniczej.
FR4 jest obecnie najczęściej stosowanym podłożem do sztywnych płytek drukowanych, również w chińskich zakładach produkcyjnych. O jego popularności decydują przewidywalne parametry, dostępność i dobrze opanowana technologia obróbki.
FR4 jest materiałem wybieranym do większości sztywnych PCB
Porównanie składu i zastosowań laminatów
Poniższe zestawienie ułatwia wstępny wybór materiału. CEM-1 i CEM-3 są rozwiązaniami pośrednimi między laminatami papierowymi a FR-4; nie należy traktować ich jako automatycznych zamienników materiału wskazanego w projekcie.
| Materiał | Nośnik i spoiwo | Typowe zastosowanie lub ograniczenie |
|---|---|---|
| FR-1 | Papier i żywica fenolowa | Tanie PCB, zwykle jednostronne; nieco wyższa Tg i odporność termiczna niż FR-2. |
| FR-2 | Papier i żywica fenolowa | Proste PCB, zwykle jednostronne; słabsza odporność termiczna i wilgociowa niż FR-4. |
| FR-3 | Papier i żywica epoksydowa | Lepsze właściwości niż laminaty fenolowe; materiał mniej powszechny. |
| CEM-1 | Rdzeń papierowy, warstwy tkaniny szklanej i żywica epoksydowa | Zwykle PCB jednostronne. |
| CEM-3 | Rdzeń z niesplatanego włókna szklanego, tkanina szklana i żywica epoksydowa | Materiał pośredni między laminatami papierowymi a FR-4. |
| FR-4 | Tkanina szklana i żywica epoksydowa | Standard dla PCB dwuwarstwowych i wielowarstwowych, z otworami metalizowanymi. |
Uwaga na wilgoć: laminaty papierowe chłoną jej więcej, co pogarsza izolację i stabilność wymiarową. Niska cena nie kompensuje tych ograniczeń w wymagającym środowisku. FR-1 i FR-2 należy wykluczyć przy bezołowiowym lutowaniu rozpływowym ze względu na ich słabszą odporność termiczną.
Parametry FR-4, które trzeba sprawdzić przed zamówieniem
Wartości w tabeli są typowe. Dokładne parametry zależą od producenta, wersji laminatu, a w przypadku przenikalności także od częstotliwości. Sprawdź aktualną kartę katalogową konkretnego materiału przed zatwierdzeniem go do produkcji.
| Parametr | Wartość typowa — do potwierdzenia wg noty katalogowej |
|---|---|
| Grubość laminatu | Typowo 1,6 mm |
| Folia miedziana | Typowo 35 µm (1 oz) |
| Względna przenikalność elektryczna | Typowo 4–4,8 |
| Tg odmiany standardowej | Typowo około 130–140 °C |
| Tg odmiany średniej | Typowo około 150 °C |
| Tg odmiany wysokiej | Typowo ≥170 °C |
| Klasa palności | Typowo UL94 V-0; wersja samogasnąca |
Dobór grubości płytki PCB i folii miedzianej to osobne decyzje. Również ogólny zakres przenikalności elektrycznej FR-4 nie zastępuje wartości z karty wybranej odmiany. Samo oznaczenie FR-4 nie potwierdza przydatności do danego procesu bezołowiowego: Tg trzeba dobrać do lutowania i warunków pracy.
Jak opisać laminat w dokumentacji produkcyjnej
IPC-4101 jest normą specyfikacji materiałów bazowych dla sztywnych PCB. Zapis „FR4” jest zbyt ogólny, ponieważ nie rozstrzyga, którą odmianę producent ma zastosować. W dokumentacji określ:
- konkretny materiał i wymaganą Tg,
- właściwą specyfikację materiałową IPC-4101,
- grubość laminatu i folii miedzianej,
- proces lutowania oraz warunki termiczne i wilgotnościowe pracy.
Przykładowy zapis roboczy to „FR-4, Tg 150 °C, wg IPC-4101/…”. Wartość Tg odpowiada typowo odmianie średniej i wymaga potwierdzenia wg noty katalogowej. Wielokropek oznacza miejsce na właściwe oznaczenie specyfikacji, które trzeba uzgodnić z producentem przed zamówieniem. Producent powinien dostarczyć aktualną kartę materiału; z niej należy przepisać parametry do ostatecznej dokumentacji.
Przykład obliczeniowy: rezystancja powierzchniowa miedzi
Dla folii miedzianej o grubości typowo 35 µm, potwierdzonej wg noty katalogowej, można oszacować rezystancję powierzchniową. Przyjmując rezystywność miedzi ρ = 1,68·10−8 Ω·m, otrzymujemy:
R□ = ρ / t = (1,68·10−8 Ω·m) / (35·10−6 m) ≈ 0,48 mΩ/□.
Symbol □ oznacza kwadrat folii; wynik opisuje rezystancję między jego przeciwległymi bokami. To obliczenie, a nie wynik naszego pomiaru. Dotyczy miedzi, nie izolacyjnego podłoża FR-4. Pokazuje, dlaczego grubość folii miedzianej na PCB musi być określona niezależnie od rodzaju laminatu: we wzorze bezpośrednio wpływa na rezystancję.
Podsumowanie
FR1, FR2 i FR3 sprawdzają się przede wszystkim w prostych, niedrogich płytkach jednowarstwowych. FR4 oferuje większą odporność cieplną, lepszą stabilność i możliwość niezawodnego wykonywania otworów metalizowanych, dlatego dominuje w płytkach dwu- i wielowarstwowych.
Ostateczny wybór powinien wynikać z liczby warstw, temperatury pracy, wymagań mechanicznych, parametrów elektrycznych i budżetu. Warto omówić te kryteria z producentem jeszcze przed zakończeniem projektu.
OurPCB może pomóc w doborze laminatu, analizie DFM i produkcji płytki zgodnej z dokumentacją. Prześlij wymagania projektu, aby otrzymać wycenę i propozycję odpowiedniego stosu materiałowego.
