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FR4 Materiais isolantes na indústria eletrônica

January 03, 2025
O FR-4, conhecido como retardador de chama 4, é um material laminado epóxi reforçado com fibra de vidro. Não se refere a um material específico, mas é um termo genérico para um grupo de materiais com uma classificação e composição de incêndio específicas.
De acordo com os padrões de classificação NEMA (National Electrical Manufacturers Association), FR significa materiais com propriedades retardantes de chama, e o número “4” significa sua composição específica: resina epóxi como finder, pano de fibra de vidro eletrônico como material de reforço e Classificação retardante da chama até os padrões UL94 V-0.
Características da placa de fibra de vidro FR4 e usos em detalhes
Placa de fibra de vidro FR4, comumente usada em materiais de isolamento eletrônico de alto desempenho, possui as seguintes características:
Desempenho estável de isolamento elétrico: ele pode fornecer isolamento elétrico confiável para garantir a operação segura de equipamentos eletrônicos.
Alta planicidade: superfície lisa, sem poços, tolerância à espessura de acordo com o padrão, adequado para processamento de precisão.
Ampla aplicação: Adequado para placas de reforço de FPC, placas resistentes a alta temperatura para fornos excessivos, folhas de diafragma de carbono, rodas vernier de precisão, quadros de teste de PCB e outros produtos de isolamento eletrônico de alto desempenho.
Isolamento do equipamento elétrico: usado para partições de isolamento de equipamentos elétricos, almofadas de isolamento, peças de isolamento do transformador, peças de isolamento do motor e assim por diante.
Isolamento eletrônico de interruptor: placas isolantes para interruptores eletrônicos para garantir a confiabilidade e a segurança dos comutadores.
Glass Epoxy Sheet Fiberglass F7Glass Epoxy Sheet Fiberglass F2Glass Epoxy Sheet Fiberglass F6Glass Epoxy Sheet Fiberglass F5
FR4 Materiais isolantes na indústria de eletrônicos é uma gama extremamente ampla de aplicações, a seguir, é apresentada uma introdução específica:
Produção da placa de circuito impresso (PCB):
PCB convencional: FR4 com suas excelentes propriedades de isolamento elétrico, resistência mecânica e propriedades de processamento, para se tornar o principal substrato para a produção de placas de um lado único, duplo e multicamada. Ele fornece uma base de montagem estável para componentes eletrônicos e garante a confiabilidade e a estabilidade das conexões de circuito.
PCB de uso especial: em alguns dos requisitos de resistência à corrosão no ambiente, como controle industrial, eletrônica automotiva e outros campos, através do tratamento especial do FR4, pode fazê-lo ter uma boa resistência química, prolongando a vida útil do uso de PCB.
Embalagem de componentes eletrônicos
Embalagem do IC: Como substrato de embalagem do IC, o FR4 pode fornecer um bom isolamento elétrico e suporte mecânico para proteger o chip do ambiente externo, enquanto realiza uma conexão confiável entre o chip e o circuito externo.
Embalagem de componentes discretos: Na embalagem de componentes discretos, como resistores, capacitores, indutores etc., FR4 pode ser usado para criar conchas ou suportes componentes para garantir o isolamento elétrico entre os componentes e melhorar a estabilidade e a confiabilidade do circuito.
Suporte estrutural e isolamento para equipamentos eletrônicos
Equipamento eletrônico de consumo: em smartphones, tablets, laptops e outros produtos eletrônicos de consumo, o FR4 é usado para fazer a estrutura interna do equipamento, como suportes da placa -mãe, suportes de exibição, etc., para fornecer suporte estável e fixação para os vários vários Componentes de equipamentos eletrônicos.
Grandes equipamentos eletrônicos: nas estações base de comunicação, servidores e outros grandes equipamentos eletrônicos, FR4 pode ser usado para fazer chassi de equipamento, armários e outras peças estruturais, com boa resistência mecânica e desempenho de blindagem eletromagnética, para garantir a operação normal do equipamento em complexo ambientes.
Fonte de alimentação e transformador
Placas de circuito de fonte de alimentação: Em vários equipamentos de fonte de alimentação, como fonte de alimentação, fonte de alimentação linear, etc., FR4 é um material comum para a fabricação de placas de circuito de fonte de alimentação. Ele pode suportar a alta temperatura e alta tensão gerada quando a fonte de alimentação funciona para garantir a operação segura e confiável do circuito de fonte de alimentação.
Isolamento do transformador: FR4 possui boas propriedades isolantes e resistentes ao calor e pode ser usado para fazer a camada isolante e o esqueleto do transformador, isolando efetivamente os enrolamentos do transformador e impedindo a ocorrência de fenômenos de curto-circuito e vazamento.
Eletrônica automotiva e aeroespacial
Sistemas eletrônicos automotivos: os materiais isolantes de FR4 são amplamente utilizados em unidades de controle de motores automotivos, sistemas de estabilização eletrônica corporal, sistemas de entretenimento no carro etc. para atender aos requisitos do uso automotivo em ambientes agressivos.
Eletrônica aeroespacial: os materiais isolantes de FR4 são usados ​​para sua alta confiabilidade e estabilidade em eletrônicos aeroespaciais, como sistemas de controle de vôo de aeronaves e sistemas eletrônicos de satélite.
Glass Epoxy Sheet Fiberglass F3Glass Epoxy Sheet Fiberglass F4
Limitações dos materiais FR4 em PCBs de alta frequência
Apesar das muitas vantagens dos materiais FR4, seu desempenho em aplicações de alta frequência é insatisfatório, como evidenciado pelo seguinte:
Estabilidade constante dielétrica insuficiente
Sob condições de alta frequência, a constante dielétrica (DK) de FR4 flutua com frequência, o que pode resultar em transmissão de sinal atrasada ou distorcida.
Maior perda dielétrica
A tangente angular de perda dielétrica (DF) do material FR4 é relativamente grande e os sinais de alta frequência perdem mais durante a transmissão, o que não é adequado para a transmissão de sinal de alta velocidade de alta largura de banda e baixa perda.
Baixa condutividade térmica
Os circuitos de alta frequência geralmente são acompanhados por densidades de alta potência, e a condutividade térmica do FR4 não é suficiente para dissipar o calor com rapidez suficiente, o que pode levar à falha térmica.
Limitações de integridade do sinal
Devido às limitações das propriedades elétricas dos materiais FR4, problemas como reflexão de sinal e diafonia são mais proeminentes em ambientes de alta frequência.
Estratégias para otimizar o design de PCB de alta frequência FR4
Para fazer pleno uso das vantagens do material FR4 em aplicações de alta frequência, evitando suas limitações, as seguintes estratégias para referência:
Design razoável da estrutura laminada
Através da otimização do projeto de empilhamento de PCB, reduza a área do laço do sinal, reduza a interferência eletromagnética, aumente a integridade do sinal.
Selecione materiais variantes FR4 de baixa perda.
Existem alguns materiais FR4 aprimorados no mercado com menor tangente dielétrica de constante e ângulo de perda, que são mais adequados aos requisitos de alta frequência.
Controle preciso da impedância de alinhamento
Sinais de alta frequência requerem correspondência de alta impedância, e melhor controle de impedância pode ser alcançado ajustando a largura do alinhamento, o espaçamento e a espessura dielétrica.
Uso de escudos e camadas de terra
A introdução de camadas de blindagem e aterramento em design de PCB de alta frequência pode efetivamente suprimir a interferência irradiada e melhorar a compatibilidade eletromagnética.
Otimização de simulação de sinal
Nos estágios iniciais do design, através da análise de simulação de integridade do sinal, para encontrar possíveis problemas com antecedência, para reduzir o retrabalho posteriormente.
Seleção de material alternativo FR4
Em alguns cenários extremos de alta frequência, o FR4 pode não ser capaz de atender à demanda, você pode considerar os seguintes materiais alternativos:
Rogers Material
O material Rogers possui uma tangente dielétrica e ângulo de perda menor, adequado para aplicações de alta frequência e microondas, mas o custo é maior.
Substratos de cerâmica
Os materiais cerâmicos têm alta condutividade térmica e propriedades elétricas superiores, tornando -as ideais para aplicações de alta frequência e alta potência.
PTFE (Politetrafluoroetileno) Materiais
Os materiais PTFE têm excelentes propriedades dielétricas e são particularmente adequadas para circuitos de RF e microondas.
Aplicações práticas de PCBs FR4 de alta frequência
Apesar de certas limitações, o material FR4 ainda é amplamente utilizado nas seguintes aplicações de alta frequência:
Módulos de comunicação sem fio: Adequado para equipamentos de comunicação sem fio de baixo custo, como módulos Wi-Fi, módulos Bluetooth.
Equipamento de identificação de radiofrequência (RFID): usado em sistemas RFID de média frequência ou baixa frequência.
Sistemas eletrônicos automotivos: FR4 ainda é o material principal em alguns radares de carro e sensores.
Conclusão
O material FR4 ainda é um dos materiais usados ​​em PCB de alta frequência devido à sua economia superior e desempenho abrangente. No entanto, diante das necessidades exigentes de aplicações de alta frequência, os designers precisam levar em consideração suas características elétricas, desempenho térmico e restrições de custo e garantir o desempenho e a confiabilidade dos circuitos de alta frequência, otimizando o projeto ou selecionando materiais alternativos . No futuro, com o avanço da tecnologia do material e do processo de fabricação, espera-se que o desempenho do FR4 seja melhorado para atender melhor à crescente demanda por eletrônicos de alta frequência.
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Autor:

Ms. Tina

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