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Cos'è il PCB FR4? Una panoramica completa

Per molti anni, il PCB FR4 è stato il tipo di circuito stampato più popolare. Lo è ancora, anche con l’emergere di numerosi altri substrati. Allora, cos’è questo materiale e di cosa è fatto? Per ulteriori informazioni sulla scheda PCB FR4, leggi la panoramica dettagliata di seguito, iniziando dalla definizione.

Cos'è il PCB FR4?

Per PCB FR4 si intende un tipo di circuito stampato che contiene FR4 come materiale di base e prepregnato. La forma completa FR4 è “ritardante di fiamma”. Significa un materiale che non propaga il fuoco e che è conforme alle norme Norma UL94V-0 per ritardante di fiamma.

Il numero “4”, invece, viene utilizzato per la resina rinforzata con vetro utilizzata per realizzare FR4. Rappresenta uno standard che NEMA utilizza per denotare il materiale in base alle sue caratteristiche.

Per realizzare il PCB FR4, la resina viene mescolata con fibre di vetro e utilizzata per creare fogli robusti. Per il ritardo di fiamma vengono aggiunti diversi composti. Questi possono essere a base alogena, come i tipi bromurati o non alogeni.

Oltre a offrire un ritardo di fiamma e un'eccellente resistenza meccanica, l'FR4 nelle schede PCB offre isolamento e altre proprietà come la capacità di resistere alle alte temperature.

PCB FR4 ad alta Tg per applicazioni spaziali
PCB FR4 ad alta Tg per applicazioni spaziali
Risorsa: https://www.researchgate.net

Materiale PCB FR4

Il materiale PCB FR4 è fondamentalmente composto da quanto segue: fibre di vetro, resina epossidica e diverse altre sostanze; la composizione esatta varia a seconda dei diversi produttori. Generalmente, l'uso di diverse composizioni e strutture di materiali dà origine a questi tipi di PCB FR4.

Standard FR4 Standard

Questo è l'FR4 convenzionale con proprietà di base. È anche uno dei più comuni quando si tratta di applicazioni di circuiti stampati di base. L'FR4 standard non possiede le proprietà di fascia alta destinate a condizioni più impegnative come temperature estreme e altri ambienti.

FR4 ad alta Tg

Tg significa transizione vetrosa e Temperatura Tg il livello di calore al quale un materiale solido inizia a cambiare stato e diventare gommoso o morbido. Un FR4 ad alto TG indica un materiale PCB in grado di sopportare livelli di calore più elevati (superiori a 170°C), senza cambiare forma.

CTI FR4 elevato

CTI sta per Comparative Tracking Index. Quando utilizzato su PCB, si riferisce alla capacità del laminato di resistere alla corrente che scorre nelle piste o tracce di rame. Un CTI FR4 elevato, quindi, offre un valore resistivo più elevato per le correnti indesiderate in caso di dispersioni.

FR4 senza alogeni

Un PCB FR4 privo di alogeni non contiene composti alogeni o li contiene in quantità molto basse (e trascurabili). Questo tipo di materiale PCB FR4 sta diventando la norma oggi, data la natura tossica degli alogeni e lo spostamento verso circuiti stampati più sicuri da parte degli utenti di tutto il mondo.

FR4 senza rame

FR4 senza rame è una scheda che non contiene strati o tracce di rame. Realizzato in FR4, ne possiede tutte le proprietà, ma non è in grado di condurre l'elettricità. Viene quindi utilizzato principalmente per l'isolamento o, più comunemente, come pannello di rinforzo nei circuiti stampati rigidi e flessibili.

PCB multistrato FR4
PCB multistrato FR4
Risorsa: https://www.youtube.com/watch?v=Ukc_kc5OAhw

Progettazione PCB FR4

A seconda delle caratteristiche richieste e delle esigenze applicative, la scheda PCB FR4 può essere realizzata in numerose strutture o design diversi; circuiti stampati a singola faccia, doppia faccia e multistrato, tra le altre opzioni. Queste opzioni di progettazione sono spiegate più dettagliatamente di seguito.

FR4 monofacciale

Questo è il design più elementare di un foglio PCB FR4. Comprende un singolo strato di rame supportato dal nucleo FR4. Di base prodotti elettronici utilizzare questo tipo di tavola, rendendola una delle più comuni. Per le applicazioni che richiedono l'imballaggio di più componenti, viene utilizzata una scheda a doppia faccia.

PCB a doppia faccia FR4

La scheda PCB FR4 a doppia faccia è più avanzata. È costituito da due strati di rame conduttivo, con il laminato FR4 tra di essi. I due lati rendono la scheda più versatile, poiché i produttori possono posizionare i componenti su entrambe le superfici. Questo design è utile nelle applicazioni ad alta densità di componenti.

PCB multistrato FR4

Il pannello multistrato è ancora più complesso, essendo composto da più fogli FR4. Il numero di strati dipende dall'applicazione e può variare da 2 a 16 o anche di più. Per collegare i diversi strati, vengono praticati piccoli fori chiamati via attraverso la scheda e sono incluse una serie di altre funzionalità.

Grafico delle proprietà del materiale PCB FR4
Grafico delle proprietà del materiale PCB FR4
Risorsa: https://www.researchgate.net

Proprietà dei materiali PCB FR4

Oltre ad essere ignifugo e ad offrire buone prestazioni isolamento elettrico proprietà, i circuiti stampati realizzati in FR4 offrono diverse caratteristiche. Questi possono o meno essere adatti a un'applicazione. Comprenderli può, quindi, aiutarti a fare la scelta giusta. Le proprietà importanti del PCB FR4 sono elencate di seguito:

Valutazione della temperatura

Il materiale FR4 può resistere a temperature superiori a 345° prima di decomporsi. In termini di temperatura operativa, i PCB realizzati con questo materiale possono funzionare in un'ampia gamma di livelli di calore, tipicamente tra 50°C e 115°C. Questa proprietà rende il materiale perfetto per un'ampia gamma di requisiti applicativi.

Conduttività termica

FR4 non offre nulla di buono conduzione termica, con un livello di conduttività inferiore a 1 W/mK (watt per Kelvin). Ciò lo rende un cattivo conduttore con scarsa capacità di dissipare il calore. Tuttavia, la presenza di rame in un PCB realizzato con questo materiale migliora leggermente la conduttività.

Costante dielettrica

A seconda di vari fattori (composizione, struttura della trama, quantità di resina, ecc.) Il materiale PCB FR4 può avere a costante dielettrica (Dk) tra 3.3 e 4.8. Questi valori, tuttavia, non sono costanti e cambiano con l'aumento delle frequenze del segnale. Ad esempio, il valore Dk è 5 a 1 MHz e maggiore quando la frequenza aumenta.

assorbimento dell'umidità

FR4 ha un basso tasso di assorbimento dell'umidità. Ciò gli conferisce un'elevata capacità di resistere ai danni causati dall'acqua. Quando immerso in acqua per ventiquattro ore, l'assorbimento è misurato allo 0.01%. Ciò lo rende adatto per l'uso sia in condizioni asciutte che umide.

Densità

La densità del PCB FR4 indica il rapporto peso/volume. La densità tipica di FR4 è 1.85/cm³. Ciò lo rende un materiale leggero ma rigido che può adattarsi a molti usi diversi, dai prodotti elettronici domestici ai PB da utilizzare nei gadget di comunicazione portatili.

Un esempio di PCB FR4 sottile
Un esempio di PCB FR4 sottile
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Spessore PCB FR4

Lo spessore può influire sulle prestazioni di un circuito. Un laminato troppo spesso, ad esempio, può causare problemi di segnale. Se troppo sottile, potrebbe non essere abbastanza forte per questo componenti elettronici o applicazione. I PCB FR4 sono costruiti con spessori standard oppure personalizzati per soddisfare i requisiti.

Spessore standard

Il circuito standard FR4 ha normalmente uno spessore di 1.57 mm. Al di fuori di questa misura, il valore può arrivare fino a 2.30 mm o anche di più. Esistono anche schede sottili fino a 0.78 mm, a seconda delle esigenze applicative e di altri requisiti.

Tolleranza di spessore

La tolleranza PPCB definisce la variazione consentita nelle dimensioni della scheda, in questo caso il suo spessore. Di solito, questo è calcolato a + o – 10%. Ad esempio, supponiamo che sia necessario un PCB FR4 per misurare 2 millimetri con una tolleranza di 0.05. Sul limite superiore può misurare fino a 2.05 mm, ma non meno di 1.95 mm sul lato inferiore.

PCB FR4 nero, una delle sue numerose opzioni di colore
PCB FR4 nero, una delle sue numerose opzioni di colore
Risorsa: https://www.researchgate.net

Perché scegliere il PCB FR4?

FR4 è un materiale popolare per i circuiti stampati. Viene fornito con una serie di caratteristiche favorevoli che lo rendono ideale per diversi usi PCB. A seconda della natura della tua richiesta o del tuo budget, potresti sceglierlo per i seguenti motivi:

  • A basso costo: Il materiale PCB FR4 costa meno della maggior parte delle altre opzioni come i substrati metallici. Ciò lo rende una scelta interessante per la maggior parte dei tipi di PCB, dai progetti di base ai circuiti stampati complessi e multistrato.
  • Eccellente resistenza meccanica: il PCB FR4 è una scheda robusta che può contenere componenti pesanti. Oltre ad essere sufficientemente rigido per l'uso in condizioni difficili.
  • Resistente all'umidità: legato con resina, un pannello FR4 resiste all'umidità, con un tasso di assorbimento vicino allo zero. Quindi puoi usarlo in condizioni umide.
  • Ritardante di fiamma: con un grado di infiammabilità di UL94-V0, un circuito FR4 non diffonderà il fuoco in caso di incidenti, il che lo rende un'opzione materiale sicura.

Anche FR4 ha i suoi limiti. Non può dissipare efficacemente il calore, ad esempio, data la sua bassa conduttività termica. La costante dielettrica cambia anche a frequenze più elevate, il che potrebbe non essere adatto alle applicazioni che lo richiedono impedenza controllata.

Le alternative FR4 includono PCB in alluminio e altri metalli, ceramica e poliimmide, soprattutto quando si tratta di circuiti stampati flessibili, e CEM (materiale epossidico composito).

Conclusione

Il PCB FR4 è il tipo di circuito stampato più comune oggi. Essendo un'opzione a basso costo e possedendo una serie di proprietà favorevoli, costituisce un buon laminato per un'ampia gamma di usi PCB. I settori comuni in cui i circuiti stampati utilizzano FR come nucleo e dielettrico pre-preg includono quello automobilistico, dell'elettronica di consumo e dei sistemi industriali.

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