FR-4 es el material más común utilizado para placas de circuito impreso, compuesto de fibra de vidrio y resina epoxi. Es fuerte, liviano y proporciona un buen aislamiento, lo que lo hace más adecuado para muchos dispositivos electrónicos. Este artículo explica la estructura, las propiedades, los grados, las limitaciones y los factores de diseño de FR-4, proporcionando información detallada sobre cuándo y cómo debe usarse.
Descripción general del FR-4
FR-4 es el material más común utilizado para fabricar placas de circuito impreso (PCB). Está hecho de fibra de vidrio y resina epoxi, lo que lo hace fuerte y bueno para aislar la electricidad. El FR significa retardante de llama, lo que significa que puede resistir la combustión, pero esto no siempre significa que cumpla con el estricto estándar de seguridad contra incendios UL 94 V-0.
Este material es popular porque es liviano, duradero y asequible. También hace un buen trabajo resistiendo la humedad y el calor, lo que ayuda a que los circuitos electrónicos se mantengan estables. Otra razón por la que se usa FR-4 es que se puede moldear fácilmente en placas de una o varias capas sin agregar mucho costo.
Estructura laminada FR-4
Esta imagen muestra la estructura en capas de un laminado FR-4; el material más común utilizado en las placas de circuito impreso (PCB). En la parte superior e inferior, las láminas de lámina de cobre forman las capas conductoras que luego se grabarán en patrones de circuitos. Entre estas láminas de cobre se encuentra el núcleo: tejido de vidrio impregnado con resina epoxi. El tejido de vidrio proporciona resistencia mecánica y estabilidad dimensional, mientras que el epoxi une las fibras y agrega rigidez. Juntos, crean una base aislante pero duradera. La combinación de lámina de cobre, fibra de vidrio y epoxi hace que FR-4 sea fuerte, resistente a las llamas e ideal para soportar y proteger las trazas de PCB.
Propiedades eléctricas de FR-4
| Parámetro | Gama FR-4 |
|---|---|
| Constante dieléctrica (Dk) | 3.8 – 4.8 |
| Factor de disipación (Df) | \~0,018 – 0,022 |
| Rigidez dieléctrica | >50 kV/mm |
| Estabilidad | Varía con la frecuencia y el tejido de vidrio |
Propiedades térmicas de FR-4
| Propiedad | Estándar FR-4 | FR-4 de alta calidad |
|---|---|---|
| Temperatura de transición vítrea (Tg) | 130–150 °C | ≥180 °C |
| Temperatura de descomposición (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Tiempo de delaminación (T260 / T288) | Menor resistencia | Mayor resistencia |
FR-4 Opciones de espesor y apilamiento
| Espesor / Tipo | Ventajas | Limitaciones | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Delgado (<0,5 mm) | Ligero, compacto y flexible | Frágil, más difícil de manejar durante el montaje | Estándar (1,6 mm) | Predeterminado de la industria, ampliamente disponible, rentable | Puede limitar diseños ultracompactos o de alta densidad | Grueso (>2 mm) | Proporciona rigidez y mejor resistencia a las vibraciones | Aumenta el peso total y el costo |
| Apilamientos multicapa personalizados | Permite el control de impedancia, admite señales de alta velocidad y mejora el blindaje EMI | Requiere procesos de fabricación precisos, más costosos |
Uso de FR-4 para el diseño de PCB
• Electrónica de consumo: proporciona un material base estable que puede manejar el uso diario y las necesidades básicas de energía.
• Controles industriales y automatización: FR-4 ofrece un rendimiento constante en sistemas que necesitan durabilidad y un funcionamiento constante a lo largo del tiempo.
• Fuentes de alimentación y convertidores: para circuitos que funcionan por debajo de frecuencias muy altas, FR-4 ofrece aislamiento y rendimiento que cumplen con los requisitos.
• Diseños sensibles a los costos: cuando los presupuestos importan, FR-4 le permite mantener los costos de producción más bajos sin renunciar a la confiabilidad.
Límites de FR-4 y mejores alternativas
Cuando FR-4 no es adecuado
• Circuitos de alta frecuencia: por encima de aproximadamente 6-10 GHz, FR-4 causa una mayor pérdida de señal, lo que lo hace inadecuado para diseños avanzados de RF o microondas.
• Velocidades de datos ultra altas: para velocidades como PCIe Gen 5 y superiores (25+ Gbps), FR-4 agrega demasiado retraso y pérdida de inserción, lo que reduce la integridad de la señal.
• Condiciones de alta temperatura: el FR-4 estándar comienza a descomponerse más rápido cuando se expone a temperaturas superiores a aproximadamente 150 ° C, lo que lo hace poco confiable para su uso a largo plazo en tales entornos.
Alternativas al FR-4
| Material | Caso de uso |
|---|---|
| Laminados Rogers | Diseños de RF y microondas que necesitan baja pérdida de señal |
| Compuestos de PTFE | Pérdida dieléctrica ultrabaja para circuitos de precisión y alta frecuencia |
| Poliimida | Resistencia a altas temperaturas en entornos hostiles |
| Cerámica | Rendimiento extremo y durabilidad bajo estrés |
Grados y usos de FR-4
FR-4 estándar
El FR-4 estándar tiene una temperatura de transición vítrea (Tg) de aproximadamente 130-150 °C. Es el grado más común, utilizado en electrónica, equipos de oficina y sistemas de control industrial estándar.
FR-4 de alta Tg
El FR-4 de alta Tg ofrece una Tg de 170-180 °C o superior. Este grado es necesario para los procesos de soldadura sin plomo y se utiliza en la electrónica automotriz, las placas aeroespaciales y otros diseños que necesitan una mayor estabilidad térmica.
FR-4 de alto CTI
El FR-4 de alto CTI proporciona un índice de seguimiento comparativo (CTI) de 600 o más. Se elige para fuentes de alimentación, convertidores y circuitos de alto voltaje donde se requieren distancias seguras de fuga y espacio libre.
FR-4 libre de halógenos
El FR-4 libre de halógenos tiene propiedades similares a los tipos estándar o de alta Tg, pero evita los retardantes de llama a base de halógenos. Se utiliza en diseños ecológicos que deben cumplir con los estándares ambientales RoHS y REACH.
Problemas de integridad de la señal en FR-4
Problema
FR-4 utiliza una tela de vidrio tejida para mayor resistencia, pero este tejido no es perfectamente uniforme. Al enrutar pares diferenciales, una traza puede pasar principalmente sobre los haces de vidrio, que tienen una constante dieléctrica más alta, mientras que la otra traza pasa sobre la resina, que tiene una constante dieléctrica más baja. Esta exposición desigual hace que las señales viajen a velocidades ligeramente diferentes, creando lo que se llama sesgo de tejido de fibra.
Impacto
La diferencia de velocidad entre las dos señales conduce a desajustes de tiempo. A altas velocidades de datos, este desajuste aparece como sesgo diferencial, fluctuación adicional e incluso cierre de diagrama de ojo. Estos efectos pueden reducir la integridad de la señal y limitar el rendimiento de los canales de comunicación de alta velocidad.
Soluciones
El enrutamiento de pares diferenciales en un ángulo de 10 a 15 ° con respecto al tejido ayuda a evitar que las trazas se alineen directamente con los haces de vidrio. La elección de telas de vidrio extendido, como los estilos 3313, hace que las propiedades dieléctricas sean más uniformes en todos los ámbitos. Los pares diferenciales escalonados aseguran que ambas trazas encuentren una mezcla de materiales similar. El sesgo presupuestario en las simulaciones de tiempo le permite predecir y tener en cuenta estos efectos antes de la fabricación.
Riesgos de humedad y confiabilidad en FR-4
Efectos de la humedad
• Reducción de Tg durante el reflujo: la humedad absorbida reduce la temperatura de transición vítrea, lo que hace que el material sea menos estable durante la soldadura y puede provocar delaminación.
• Degradación dieléctrica: a altas frecuencias, la humedad aumenta la pérdida dieléctrica, lo que reduce la calidad de la señal en los diseños de velocidad GHz.
• Filamentación anódica conductiva (CAF): uno de los riesgos más graves, la CAF ocurre cuando los iones de cobre migran a través del epoxi bajo polarización eléctrica, formando rutas conductoras ocultas que pueden causar cortocircuitos entre trazas o vías.
Reducción de los problemas de humedad
• Guarde las tablas secas y selladas para evitar la humedad.
• Hornee las tablas antes de usarlas si han estado expuestas a la humedad.
• Elija FR-4 resistente a CAF para diseños de alta densidad o alto voltaje.
• Siga las reglas de espaciado de IPC para reducir el riesgo de cortocircuitos.
Factores a verificar antes de comprar FR-4
• Especifique el grado de laminado y la hoja de corte IPC-4101 para evitar confusiones.
• Incluya valores de constante dieléctrica (Dk) y factor de disipación (Df) específicos de frecuencia para la banda de operación prevista.
• Confirme los requisitos térmicos con Tg ≥ 170 °C y Td > 300 °C para una soldadura sin plomo y estabilidad térmica a largo plazo.
• Indique la rugosidad de la lámina de cobre para capas de alta velocidad para minimizar la pérdida de inserción.
• Tenga en cuenta la clasificación del índice de seguimiento comparativo (CTI) al diseñar rutas de alto voltaje.
• Seleccione laminado resistente a CAF para aplicaciones de campo denso o de alto voltaje.
• Agregue instrucciones de manejo o almacenamiento para controlar la humedad y evitar la delaminación.
• Solicite tela de vidrio extendido para pares diferenciales para reducir el sesgo del tejido de fibra.
Conclusión
FR-4 ofrece resistencia, aislamiento y rentabilidad, por lo que sigue siendo el material de PCB estándar. Aún así, tiene límites en condiciones de alta frecuencia, alta velocidad o alta temperatura. Al conocer sus factores eléctricos, térmicos y de confiabilidad, y elegir el grado correcto, puede garantizar un rendimiento estable o cambiar a mejores alternativas cuando los diseños lo requieran.
Preguntas frecuentes [FAQ]
¿Qué es IPC-4101 en FR-4?
Es un estándar que define las propiedades del laminado FR-4 como Tg, Dk y absorción de humedad.
¿En qué se diferencia FR-4 de los PCB con núcleo de metal?
FR-4 es para PCB generales, mientras que los PCB con núcleo de metal usan aluminio o cobre para una mejor disipación del calor.
¿Se puede usar FR-4 en PCB flexibles?
No, FR-4 es rígido. Solo puede formar parte de diseños rígido-flexibles con capas de poliimida.
¿Cuál es la absorción de humedad del FR-4?
Alrededor del 0,10-0,20%, lo que puede reducir la estabilidad si no se hornea o almacena correctamente.
¿FR-4 es bueno para circuitos de alto voltaje?
Sí, los grados de alto CTI (CTI ≥ 600) se utilizan en fuentes de alimentación y convertidores.
¿Por qué es importante la rugosidad de la lámina de cobre en FR-4?
Las láminas rugosas aumentan la pérdida de señal; Las láminas lisas mejoran el rendimiento a alta velocidad.