FR-4 في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور: دليل كامل للخصائص الكهربائية والحرارية والموثوقية

FR-4 هي المادة الأكثر شيوعا المستخدمة في لوحات الدوائر المطبوعة ، وتتكون من الألياف الزجاجية وراتنجات الايبوكسي. إنه قوي وخفيف الوزن ويوفر عزلا جيدا ، مما يجعله الأنسب للعديد من الإلكترونيات. تشرح هذه المقالة هيكل FR-4 وخصائصه ودرجاته وقيوده وعوامل تصميمه ، مع توفير معلومات مفصلة حول متى وكيف يجب استخدامه.

ج 1. نظرة عامة على FR-4

ج 2. FR-4 هيكل صفحي

ج 3. الخصائص الكهربائية ل FR-4

ج 4. الخصائص الحرارية ل FR-4

ج 5. خيارات سمك وتكديس FR-4

ج 6. استخدام FR-4 لتصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور

ج 7. حدود FR-4 وبدائل أفضل

ج 8. درجات واستخدامات FR-4

ج 9. مشكلات سلامة الإشارة في FR-4

ج 10. مخاطر الرطوبة والموثوقية في FR-4

ج 11. عوامل يجب التحقق منها قبل شراء FR-4

ج 12. استنتاج

ج 13. الأسئلة المتكررة [FAQ]

Figure 1: FR-4

نظرة عامة على FR-4

FR-4 هي المادة الأكثر شيوعا المستخدمة في صنع لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs). وهي مصنوعة من الألياف الزجاجية وراتنجات الايبوكسي ، مما يجعلها قوية وجيدة في عزل الكهرباء. FR يعني مثبطات اللهب ، مما يعني أنه يمكن أن يقاوم الاحتراق ، لكن هذا لا يعني دائما أنه يفي بمعيار السلامة من الحرائق UL 94 V-0 الصارم.

هذه المادة شائعة لأنها خفيفة الوزن ومتينة وبأسعار معقولة. كما أنه يقوم بعمل جيد في مقاومة الرطوبة والحرارة ، مما يساعد الدوائر الإلكترونية على البقاء مستقرة. سبب آخر لاستخدام FR-4 هو أنه يمكن تشكيله بسهولة في ألواح أحادية الطبقة أو متعددة الطبقات دون إضافة الكثير من التكلفة.

FR-4 هيكل صفحي

Figure 2: FR-4 Laminate Composition

توضح هذه الصورة الهيكل متعدد الطبقات لصفائح FR-4 ؛ المواد الأكثر شيوعا المستخدمة في لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs). في الجزء العلوي والأسفل ، تشكل صفائح رقائق النحاس الطبقات الموصلة التي سيتم حفرها لاحقا في أنماط الدائرة. بين هذه الصفائح النحاسية يكمن القلب: نسيج زجاجي منسوج مشرب براتنجات الايبوكسي. يوفر نسج الزجاج قوة ميكانيكية وثباتا في الأبعاد ، بينما يربط الإيبوكسي الألياف ويضيف صلابة. معا ، يخلقون قاعدة عازلة ومتينة. إن الجمع بين رقائق النحاس والألياف الزجاجية والإيبوكسي يجعل FR-4 قويا ومقاوما للهب ومثاليا لدعم وحماية آثار ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

الخصائص الكهربائية ل FR-4

معامل	مجموعة FR-4
ثابت عازل (Dk)	3.8 – 4.8
عامل التبديد (DF)	\~0.018 – 0.022
قوة عازلة	>50 كيلو فولت / مم
الاستقرار	يختلف باختلاف التردد ونسج الزجاج

الخصائص الحرارية ل FR-4

الممتلكات	معيار FR-4	FR-4 عالي الجودة
درجة حرارة التزجج (Tg)	130-150 درجة مئوية	≥180 درجة مئوية
درجة حرارة التحلل (Td)	>300 درجة مئوية	>300 درجة مئوية
حان الوقت للتفريغ (T260 / T288)	مقاومة أقل	مقاومة أعلى

خيارات سمك FR-4 والتكديس

Figure 3: FR-4 Thickness and Stackup Options

سمك / نوع	مزايا	القيود
رفيعة (<0.5 مم)	خفيفة الوزن وصغيرة الحجم ويمكن جعلها مرنة	هشة ، يصعب التعامل معها أثناء التجميع	قياسي (1.6 مم)	افتراضي الصناعة ، متاح على نطاق واسع ، فعال من حيث التكلفة	يمكن أن يحد من التصميمات فائقة الصغر أو عالية الكثافة	سميك (>2 مم)	يوفر صلابة ومقاومة أفضل للاهتزازات	يزيد الوزن والتكلفة الإجمالية
تكديس مخصص متعدد الطبقات	يتيح التحكم في المعاوقة ، ويدعم الإشارات عالية السرعة ، ويحسن التدريع من EMI	يتطلب عمليات تصنيع دقيقة ، أغلى ثمنا

استخدام FR-4 لتصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور

Figure 4: Using FR-4 for PCB Design

• الإلكترونيات الاستهلاكية - توفر مادة أساسية مستقرة يمكنها التعامل مع الاستخدام اليومي واحتياجات الطاقة الأساسية.

• أدوات التحكم والأتمتة الصناعية - توفر FR-4 أداء ثابتا في الأنظمة التي تحتاج إلى المتانة والوظائف المتسقة بمرور الوقت.

• مصادر الطاقة والمحولات - بالنسبة للدوائر التي تعمل تحت ترددات عالية جدا ، يوفر FR-4 العزل والأداء الذي يلبي المتطلبات.

• تصميمات حساسة للتكلفة - عندما تكون الميزانيات مهمة ، تتيح لك FR-4 الحفاظ على انخفاض تكاليف الإنتاج دون التخلي عن الموثوقية.

حدود FR-4 وبدائل أفضل

عندما يكون FR-4 غير مناسب

• دوائر عالية التردد - فوق حوالي 6-10 جيجاهرتز ، يتسبب FR-4 في فقدان أعلى للإشارة ، مما يجعله غير مناسب لتصميمات الترددات اللاسلكية أو الميكروويف المتقدمة.

• معدلات بيانات فائقة - للحصول على سرعات مثل PCIe Gen 5 وما فوق (25+ جيجابت في الثانية) ، يضيف FR-4 الكثير من التأخير وفقدان الإدراج ، مما يقلل من سلامة الإشارة.

• ظروف درجات الحرارة المرتفعة - يبدأ معيار FR-4 في الانهيار بشكل أسرع عند تعرضه لدرجات حرارة أعلى من حوالي 150 درجة مئوية ، مما يجعله غير موثوق به للاستخدام على المدى الطويل في مثل هذه البيئات.

بدائل ل FR-4

الخامة	حالة الاستخدام
شرائح روجرز	تصميمات الترددات اللاسلكية والميكروويف التي تحتاج إلى فقدان إشارة منخفض
مركبات PTFE	فقدان عازل منخفض للغاية للدوائر عالية التردد
بوليميد	التحمل في درجات الحرارة العالية في البيئات القاسية
سيراميك	أداء فائق ومتانة تحت الضغط

درجات FR-4 والاستخدامات

Figure 5: FR-4 Grades and Uses

معيار [فر-4]

معيار FR-4 لديه درجة حرارة التزجج (Tg) حوالي 130-150 درجة مئوية. إنها الدرجة الأكثر شيوعا ، وتستخدم في الإلكترونيات والمعدات المكتبية وأنظمة التحكم الصناعية القياسية.

[هي-تغ] [فر-4]

يوفر FR-4 عالي التراجينة Tg من 170-180 درجة مئوية أو أعلى. هذه الدرجة مطلوبة لعمليات اللحام الخالية من الرصاص وتستخدم في إلكترونيات السيارات وألواح الطيران والتصميمات الأخرى التي تحتاج إلى استقرار حراري أعلى.

[هي-كتي] [فر-4]

يوفر مؤشر FR-4 عالي CTI مؤشر تتبع مقارن (CTI) يبلغ 600 أو أكثر. يتم اختياره لإمدادات الطاقة والمحولات ودوائر الجهد العالي حيث يلزم وجود مسافات زحف وخلوص آمنة.

FR-4 خالية من الهالوجين

يتميز FR-4 الخالي من الهالوجين بخصائص مشابهة لأنواع Tg القياسية أو عالية Tg ، ولكنه يتجنب مثبطات اللهب القائمة على الهالوجين. يتم استخدامه في التصميمات الصديقة للبيئة التي يجب أن تتوافق مع المعايير البيئية RoHS و REACH.

قضايا سلامة الإشارة في FR-4

المشكلة

يستخدم FR-4 نسيجا زجاجيا منسوجا للقوة ، لكن هذا النسج ليس موحدا تماما. عند توجيه الأزواج التفاضلية ، قد يمر أثر واحد بشكل أساسي فوق الحزم الزجاجية ، التي تحتوي على ثابت عازل أعلى ، بينما يمر التتبع الآخر فوق الراتنج ، الذي يحتوي على ثابت عازل أقل. يتسبب هذا التعرض غير المتكافئ في انتقال الإشارات بسرعات مختلفة قليلا ، مما يخلق ما يسمى انحراف نسج الألياف.

تأثير

يؤدي الاختلاف في السرعة بين الإشارتين إلى عدم تطابق التوقيت. عند معدلات البيانات العالية ، يظهر عدم التطابق هذا على شكل انحراف تفاضلي ، وارتعاش إضافي ، وحتى إغلاق مخطط العين. يمكن أن تقلل هذه التأثيرات من سلامة الإشارة وتحد من أداء قنوات الاتصال عالية السرعة.

الحلول

يساعد توجيه الأزواج التفاضلية بزاوية 10-15 درجة على النسج على منع الآثار من المحاذاة مباشرة مع الحزم الزجاجية. إن اختيار الأقمشة الزجاجية المنتشرة ، مثل أنماط 3313 ، يجعل خصائص العزل الكهربائي أكثر اتساقا في جميع المجالات. تضمن الأزواج التفاضلية المذهلة مواجهة كلا الأثرين مزيجا مماثلا من المواد. يسمح لك انحراف الميزانية في محاكاة التوقيت بالتنبؤ بهذه التأثيرات وحسابها قبل التصنيع.

مخاطر الرطوبة والموثوقية في FR-4

آثار الرطوبة

• تقليل Tg أثناء إعادة التدفق - تعمل الرطوبة الممتصة على خفض درجة حرارة التزجج ، مما يجعل المادة أقل ثباتا أثناء اللحام ويمكن أن يؤدي إلى التفريغ.

• تدهور العزل الكهربائي - عند الترددات العالية ، تزيد الرطوبة من فقدان العزل الكهربائي ، مما يقلل من جودة الإشارة في تصميمات سرعة الجيجاهرتز.

• خيوط الأنوديك الموصلة (CAF) - أحد أخطر المخاطر ، يحدث CAF عندما تهاجر أيونات النحاس عبر الإيبوكسي تحت التحيز الكهربائي ، وتشكل مسارات موصلة مخفية قد تسبب قصورة بين الآثار أو الفتحات.

الحد من مشاكل الرطوبة

• قم بتخزين الألواح جافة ومحكمة الغلق لمنع الرطوبة.

• اخبز الألواح قبل الاستخدام إذا تعرضت للرطوبة.

• اختر FR-4 المقاوم للكاف للتصميمات عالية الكثافة أو عالية الجهد.

• اتبع قواعد التباعد من IPC لتقليل مخاطر البيع على المدى.

عوامل يجب التحقق منها قبل شراء FR-4

• حدد درجة الصفائح وورقة القطع IPC-4101 لتجنب الالتباس.

• تضمين قيم ثابت العزل الكهربائي (Dk) وعامل التبديد (Df) الخاص بالتردد لنطاق التشغيل المقصود.

• تأكيد المتطلبات الحرارية مع Tg ≥ 170 درجة مئوية و Td > 300 درجة مئوية للحام الخالي من الرصاص واستقرار الحرارة على المدى الطويل.

• استدعاء خشونة رقائق النحاس للطبقات عالية السرعة لتقليل فقدان الإدخال.

• لاحظ تصنيف مؤشر التتبع المقارن (CTI) عند تصميم مسارات الجهد العالي.

• حدد صفح مقاوم ل CAF للكثافة عبر الحقول أو تطبيقات الجهد العالي.

• أضف تعليمات المناولة أو التخزين للتحكم في الرطوبة ومنع التفريغ.

• طلب نسيج زجاجي منتشر للأزواج التفاضلية لتقليل انحراف نسج الألياف.

الخاتمة

يوفر FR-4 القوة والعزل والكفاءة من حيث التكلفة ، وهذا هو السبب في أنه لا يزال مادة ثنائي الفينيل متعدد الكلور القياسية. ومع ذلك ، فإن لها حدودا في ظروف التردد العالي أو السرعة العالية أو درجات الحرارة العالية. من خلال معرفة عواملها الكهربائية والحرارية والموثوقية ، واختيار الدرجة المناسبة ، يمكنك ضمان أداء مستقر أو التبديل إلى بدائل أفضل عندما تتطلب التصميمات ذلك.

الأسئلة المتداولة [FAQ]

ما هو IPC-4101 في FR-4؟

إنه معيار يحدد خصائص صفائح FR-4 مثل Tg و Dk وامتصاص الرطوبة.

كيف يختلف FR-4 عن مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات النواة المعدنية؟

FR-4 مخصص لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور العامة ، بينما تستخدم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات القلب المعدني الألومنيوم أو النحاس لتبديد الحرارة بشكل أفضل.