FR4 หรือที่เขียนว่า FR-4 เป็นวัสดุฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับแผงวงจรพิมพ์ทั่วโลก การกำหนดย่อมาจาก สารหน่วงไฟประเภทที่ 4 ซึ่งเป็นการจำแนกเกรดที่กำหนดโดยสมาคมผู้ผลิตไฟฟ้าแห่งชาติ (NEMA) ภายใต้มาตรฐาน LI 1 โดยระบุการเสริมผ้าใยแก้วแบบทอที่ฝังอยู่ในเมทริกซ์อีพอกซีเรซิน โดยมีระบบหน่วงการติดไฟที่มีโบรมีนหรือฟอสฟอรัสรวมอยู่ในเรซินเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการติดไฟของ มาตรฐาน UL94 V-0
FR4 มีความโดดเด่น วัสดุพีซีบี ตั้งแต่ปี 1970 โดยแทนที่กระดาษลามิเนตฟีนอลรุ่นก่อนหน้า (FR1, FR2) และคอมโพสิตฝ้าย-แก้ว (FR3) ในการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์กระแสหลักเกือบทั้งหมด การผสมผสานระหว่างประสิทธิภาพของฉนวนไฟฟ้า ความแข็งแรงทางกล ความคงตัวของขนาด ความทนทานต่อความชื้น และความสามารถในการแปรรูปด้วยต้นทุนที่แข่งขันได้ ยังคงไม่มีใครเทียบได้กับวัสดุทางเลือกใดๆ ในราคาที่เทียบเคียงได้ โดยประมาณ 90% หรือมากกว่าของแผงวงจร พีซีบี แข็งทั้งหมด ที่ผลิตทั่วโลกใช้ FR4 หรือสูตรอนุพันธ์เป็นสารตั้งต้น
คำว่า "FR4" ในทางเทคนิคหมายถึงวัสดุลามิเนต — ฐานอิเล็กทริก — แทนที่จะเป็นแผ่นสำเร็จรูป อ FR4 พีซีบี คณะกรรมการ หรือ แผงวงจรพิมพ์ FR4 เป็นบอร์ดที่เสร็จสมบูรณ์ซึ่งมีพื้นผิวเป็นลามิเนต FR4 ชั้นฟอยล์ทองแดงถูกยึดติดกับพื้นผิวด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้าน และรอยทางที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า แผ่นอิเล็กโทรด และจุดผ่านจะเกิดขึ้นผ่านกระบวนการกัดและการเจาะ
คุณสมบัติของวัสดุ FR4 แตกต่างกันไปตามระดับระหว่างผู้ผลิตและสูตรเฉพาะ แต่ค่าด้านล่างนี้แสดงถึงช่วงมาตรฐานที่กำหนดไว้สำหรับลามิเนต FR4 เอนกประสงค์ตามที่ระบุไว้ในแผ่นเฉือน IPC-4101 /21 และ /24 (เกรดเชิงพาณิชย์ทั่วไปที่สุด) วิศวกรออกแบบอ้างอิงถึง เอกสารข้อมูลวัสดุ FR4 ควรถือว่าค่าเฉพาะของผู้ผลิตเป็นค่าที่เชื่อถือได้สำหรับผลิตภัณฑ์ใดๆ ที่กำหนด แต่ตัวเลขด้านล่างนี้เชื่อถือได้สำหรับการคำนวณการออกแบบเบื้องต้น
ที่ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของ FR4 — เรียกอีกอย่างว่าการอนุญาตแบบสัมพัทธ์ (Dk หรือ εr) — เป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่มีการอ้างอิงมากที่สุดในการออกแบบ PCB โดยจะกำหนดความเร็วการแพร่กระจายของสัญญาณและอิมพีแดนซ์ของการติดตามอิมพีแดนซ์แบบควบคุม มาตรฐาน FR4 มี ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกประมาณ 4.2–4.6 วัดที่ 1 MHz โดยทั่วไปเรียกว่า 4.3 หรือ 4.4 สำหรับการอ้างอิงการออกแบบ ที่ความถี่สูงกว่า (1 GHz) ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์ของ FR4 โดยทั่วไปจะลดลงไปที่ช่วง 4.0–4.2 เนื่องจากการกระจายความถี่ในคอมโพสิตแก้วอีพ็อกซี่
การพึ่งพาความถี่นี้เป็นข้อจำกัดที่สำคัญของ FR4 มาตรฐานในการออกแบบดิจิตอลและ RF ความเร็วสูง สูงกว่าประมาณ 1–2 GHz ความแปรผันใน ความอนุญาตสัมพัทธ์ของ FR4 ด้วยความถี่ที่มีนัยสำคัญเพียงพอที่จะทำให้เกิดปัญหาความสมบูรณ์ของสัญญาณ - ความแปรผันของความล่าช้าในการแพร่กระจาย การเบี่ยงเบนของคู่ดิฟเฟอเรนเชียล และการเบี่ยงเบนของอิมพีแดนซ์จากค่าระบุ รุ่น FR4 สูญเสียต่ำและลามิเนตความถี่สูงที่ออกแบบโดยเฉพาะ (Rogers, Isola, Taconic) จัดการเรื่องนี้ด้วยต้นทุนที่สูงขึ้น
ที่ dissipation factor (Df, loss tangent) of standard FR4 is 0.017–0.025 ที่ 1 MHz เพิ่มขึ้นตามความถี่ สำหรับการเปรียบเทียบ Rogers RO4003C มีค่า Df อยู่ที่ 0.0027 ซึ่งเป็นลำดับความสำคัญที่ต่ำกว่า ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมมาตรฐาน อิเล็กทริก FR4 วัสดุไม่ได้ใช้ในการใช้งานไมโครเวฟหรือคลื่นมิลลิเมตร
FR4 เป็นลามิเนตที่แข็งและแข็งซึ่งมีความแข็งแรงรับแรงดัดงอได้ดี:
ที่se values make FR4 substantially stronger than thermoplastic PCB substrates and sufficiently rigid for automated PCB assembly processes including pick-and-place, wave soldering, and reflow without requiring fixture support for standard board thicknesses (1.0–3.2 mm).
ที่rmal performance is the most commonly cited limitation of FR4 in power electronics and high-dissipation applications:
ที่ CTE ของ FR4 เป็นแอนไอโซทรอปิก — มันแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างทิศทางในระนาบ (x-y) และทิศทางนอกระนาบ (แกน z):
ที่ high z-axis CTE is the principal cause of barrel cracking in plated through-holes (PTH) during thermal cycling. The z-axis expansion stresses the copper barrel of the via, which has a CTE of only 17 ppm/°C, creating fatigue cracks at the knee radius after repeated thermal excursions. This is a design-life concern in high-cycle environments such as automotive and industrial electronics, and it drives the specification of high-Tg or halogen-free FR4 variants with lower z-axis CTE.
| คุณสมบัติ | ค่า/ช่วง | มาตรฐานการทดสอบ |
|---|---|---|
| ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (Dk) @ 1 MHz | 4.2–4.6 | ไอพีซี-TM-650 2.5.5 |
| ปัจจัยการกระจาย (Df) @ 1 MHz | 0.017–0.025 | ไอพีซี-TM-650 2.5.5 |
| ความหนาแน่น | 1.85–1.95 ก./ซม.3 | ASTM D792 |
| ที่rmal conductivity | 0.25–0.35 วัตต์/(เมตร·เคลวิน) | มาตรฐาน ASTM E1530 |
| อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) มาตรฐาน | 130–140°C | ไอพีซี-TM-650 2.4.25 |
| CTE x-y (ต่ำกว่า Tg) | 14–17 ppm/°C | ไอพีซี-TM-650 2.4.41 |
| แกน z CTE (ต่ำกว่า Tg) | 50–70 ppm/°C | ไอพีซี-TM-650 2.4.41 |
| กำลังรับแรงดัดงอ (ตามยาว) | 415–550 เมกะปาสคาล | ASTM D790 |
| การดูดซึมน้ำ (24 ชม.) | 0.10–0.20% | มาตรฐาน ASTM D570 |
| ความไวไฟ | UL 94 V-0 | UL 94 |
เค้าโครง PCB เป็นกระบวนการในการวางชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และกำหนดเส้นทางรอยทองแดง ระนาบ และจุดแวะที่เชื่อมต่อด้วยระบบไฟฟ้าบนแผงวงจรพิมพ์ เค้าโครงดำเนินการโดยใช้ซอฟต์แวร์ EDA (Electronic Design Automation) หลังจากบันทึกแผนผัง และเป็นขั้นตอนที่คุณลักษณะทางกายภาพของวัสดุพื้นผิว รวมถึงค่าคงที่ไดอิเล็กตริก การนำความร้อน และ CTE ของ FR4 มีอิทธิพลโดยตรงต่อตัวเลือกการออกแบบ
ที่ four FR4 properties most directly relevant to PCB layout decisions are:
ไม่ใช่ทั้งหมด วัสดุแผงวงจร FR4 เทียบเท่ากัน การกำหนดฐานครอบคลุมกลุ่มสูตรที่มีโปรไฟล์ด้านประสิทธิภาพที่แตกต่างกันอย่างมาก โดยขึ้นอยู่กับระบบเรซินและเคมีของตัวเติม
ที่ baseline formulation, adequate for consumer electronics, general industrial, and telecom applications processed with tin-lead solder (peak reflow ~220°C). Not recommended for lead-free reflow without confirmation that the specific laminate product is rated for 260°C peak process temperatures.
ผสมด้วยอีพอกซีเรซินดัดแปลง (มักเป็นอีพอกซีผสมอเนกประสงค์หรือไซยาเนตเอสเทอร์) ที่ทำให้ Tg มีอุณหภูมิสูงถึง 170–180°C ซึ่งให้ค่าเผื่อความร้อนที่มากขึ้นสำหรับการประมวลผลแบบไร้สารตะกั่ว ลด CTE ของแกน z และปรับปรุงความต้านทานการแยกชั้นในบอร์ดหลายชั้นที่มีความหนาแน่นผ่านสูง High-Tg FR4 เป็นข้อกำหนดมาตรฐานในการใช้งานด้านยานยนต์ อุตสาหกรรม เซิร์ฟเวอร์ และด้านการทหาร
FR4 แบบดั้งเดิมใช้สารหน่วงการติดไฟที่มีโบรมีนเป็นส่วนประกอบหลัก (tetrabromobisphenol A, TBBPA) ซึ่งสร้างก๊าซไฮโดรเจนโบรไมด์ที่เป็นพิษเมื่อถูกเผาไหม้ สารที่ปราศจากฮาโลเจนจะแทนที่สิ่งเหล่านี้ด้วยระบบหน่วงการติดไฟของฟอสฟอรัส-ไนโตรเจนหรืออะลูมิเนียมไตรไฮดรอกไซด์ (ATH) FR4 ที่ปราศจากฮาโลเจนมี Dk ต่ำกว่า (โดยทั่วไปคือ 3.8–4.2) และมีสมบัติเชิงกลแตกต่างไปจากสารเทียบเท่าโบรมีนเล็กน้อย มีการบังคับใช้มากขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคของยุโรปภายใต้กรอบ RoHS และ REACH และในห่วงโซ่อุปทานของยานยนต์บางประเภท
PCB FR1 เป็นกระดาษลามิเนตฟีนอลิก — พื้นผิวกระดาษที่ชุบด้วยฟีนอลิกเรซิน — แทนที่จะเป็นคอมโพสิตไฟเบอร์กลาส-อีพอกซี ราคาถูกกว่า FR4 อย่างมาก โดยเจาะแทนที่จะเจาะอย่างหมดจด และใช้ใน PCB ด้านเดียวแบบธรรมดาสำหรับการใช้งานที่คำนึงถึงต้นทุน เช่น รีโมทคอนโทรล อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเล่น และแผงจ่ายไฟแบบธรรมดา FR1 มีความเป็นฉนวนไฟฟ้า ความต้านทานต่อความชื้น และความแข็งแรงทางกลต่ำกว่าอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับ FR4 แผงวงจร และไม่เหมาะสำหรับการก่อสร้างหลายชั้น การจัดวางส่วนประกอบที่มีระยะพิทช์ละเอียด หรือการใช้งานใดๆ ที่ต้องการความน่าเชื่อถือภายใต้การหมุนเวียนความร้อนหรือการสัมผัสความชื้น
แม้จะมีอำนาจครอบงำก็ตาม วัสดุ PCB FR4 มีขอบเขตการใช้งานที่ชัดเจน การทำความเข้าใจว่าจุดใดที่มีข้อบกพร่องช่วยให้วิศวกรทำการเลือกวัสดุพิมพ์ที่ถูกต้องตั้งแต่เริ่มแรก แทนที่จะค้นพบข้อจำกัดระหว่างการทดสอบ
อ เอกสารข้อมูลวัสดุ FR4 จากผู้ผลิตลามิเนต (Isola, Shengyi, Kingboard, Nan Ya, Ventec, Panasonic) โดยทั่วไปจะแสดงรายการคุณสมบัติของเงื่อนไขการวัดต่างๆ ต่อไปนี้เป็นค่านิยมที่วิศวกรต้องการมากที่สุดและสิ่งที่ควรคำนึงถึงเมื่อเปรียบเทียบผลิตภัณฑ์