FR4:cuándo puedes usarlo y cuándo no

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¿Qué es el material de sustrato FR4?

¿Cómo se usa FR-4 en PCB?

Cómo seleccionar el grosor de FR4

Cuándo usar FR4

Gestión de temperatura

Haciendo la elección:FR4 vs laminado de alta frecuencia

La mayoría de los ingenieros eléctricos y las personas involucradas con las placas de circuito impreso están familiarizadas con el material FR4. FR4 es el material principal sobre el que se construyen la mayoría de las placas de circuitos rígidos. Sin embargo, muchos desconocen qué es FR4, y mucho menos por qué es la base de PCB más popular.

Siga leyendo para obtener más información sobre las placas de circuito impreso FR4, como qué son, por qué son tan populares y cómo se comparan las especificaciones de PCB FR4 con otras opciones dentro de la industria.

¿Qué es el material de sustrato FR4?

FR4, también escrito como FR-4, es tanto un nombre como una calificación estándar. El nombre se aplica a las láminas laminadas con epoxi reforzadas con fibra de vidrio que se utilizan en la fabricación de placas de circuito impreso. Sin embargo, el nombre también funciona como un grado que se usa para calificar las láminas laminadas de epoxi. La designación indica esencialmente la calidad base de una lámina laminada, lo que significa que una variedad de materiales y diseños de láminas se incluyen en la clasificación FR4. El "FR" en el nombre significa retardante de llama, mientras que el 4 diferencia el material de otros de la misma clase.

El material ampliamente conocido como FR4 es una estructura compuesta. La capa más básica del material es fibra de vidrio tejida en una lámina delgada similar a una tela. La fibra de vidrio le da al FR4 su necesaria estabilidad estructural. Esta capa de fibra de vidrio más interna luego se rodea y se une con una resina epoxi resistente a las llamas. Esta resina es la que le da rigidez al material, entre otras propiedades físicas.

Las láminas FR4 son muy populares entre los ingenieros y diseñadores eléctricos como material base de PCB. El bajo costo y la versatilidad del material, así como su gran cantidad de propiedades físicas beneficiosas, explican esa popularidad. Las láminas FR4 son aislantes eléctricos con alta rigidez dieléctrica. También cuentan con una alta relación resistencia-peso y son ligeros y resistentes a la humedad. Agregue esto a su resistencia relativa a la temperatura, y el material FR4 puede funcionar bien en la mayoría de las condiciones ambientales.

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¿Cómo se usa FR-4 en PCB?

Estas cualidades hacen de FR4 un material de sustrato predeterminado ideal para procesos de fabricación de PCB de calidad. Cuando se usan adecuadamente, estas propiedades también pueden formar la base de PCB de alta calidad y bajo costo.

Dentro de una PCB, FR4 forma la columna vertebral de aislamiento principal. Esta es la base sobre la cual la empresa fabricante construye el circuito. Una vez preparada, la placa FR4 se lamina con una o más capas de lámina de cobre usando calor y adhesivo. Este cobre forma los circuitos en el producto terminado y puede cubrir uno o ambos lados, según el diseño de la placa.

Los PCB complejos pueden usar más de un lado o incluso colocar capas en la placa de circuito para producir circuitos más sofisticados. A partir de aquí, los circuitos se dibujan y graban antes de cubrirlos con una capa de máscara de soldadura, preparando la placa para la capa de serigrafía final y el proceso de soldadura posterior.

Cómo seleccionar el grosor de FR4

Al pedir una placa laminada para un proyecto de PCB, el diseñador o ingeniero eléctrico debe especificar el espesor de FR4. Esto se mide en unidades basadas en pulgadas, como la milésima de pulgada, mil o milímetros, según cuál sea más apropiado para la configuración. El grosor de una hoja de FR4 varía ampliamente según las necesidades del proyecto, pero tiende a oscilar entre diez mil y tres pulgadas.

Si bien el grosor de la placa puede no parecer un factor importante en el diseño de una PCB, en realidad es una característica esencial. El grosor de la placa afecta varios aspectos de la funcionalidad de la placa, por lo que se consideran varios factores al determinar el grosor de una placa para el diseño. Estos incluyen lo siguiente.

1. Espacio:más delgado puede ser mejor

Si el espacio le preocupa al diseñador, una placa FR4 más delgada tiende a ser preferible. Este es un factor predominante para la fabricación de dispositivos más pequeños, como conectores USB y muchos accesorios Bluetooth. Incluso para proyectos más grandes, los PCB FR4 más pequeños tienden a preferirse para ahorrar espacio dentro del dispositivo.

2. Conexiones:la equivocada podría provocar daños

Un diseño de PCB de dos lados requiere un conector de borde para unir los dos lados. Esto puede ser un factor limitante importante para el tamaño final de la PCB, ya que los conectores de borde de PCB solo se ajustan a un conjunto particular de grosores de PCB. La parte de acoplamiento de un conector debe encajar perfectamente en el costado de la PCB, o de lo contrario corre el riesgo de deslizarse o dañar la PCB. Esta es una de las principales razones por las que el diseño del circuito se antepone a la elección de los materiales para el circuito.

3. Coincidencia de impedancia:esencial para mantener el funcionamiento de la placa

Cada placa multicapa actúa como un condensador en las capas adyacentes. Por eso es tan importante el grosor de esta placa:el grosor del material PCB FR4 determina el grosor del dieléctrico, que a su vez afecta el valor de la capacitancia.

Este es un factor especialmente clave para algunas PCB de alta frecuencia, como los diseños de RF y microondas. Los diseños de alta frecuencia se centran en la coincidencia de impedancia como un componente esencial para mantener el funcionamiento óptimo de la placa, por lo que es crucial obtener la capacitancia adecuada para cada capa.

4. Flexibilidad:Depende de la Aplicación

Las tablas más delgadas pueden flexionarse en cierta medida. Si bien es un rasgo inusual, la flexibilidad puede ser una característica positiva o negativa, según la aplicación.

Los tableros más flexibles tienden a ser preferibles en algunas aplicaciones en las que el producto se somete a esfuerzos o flexiones regulares. Por ejemplo, aquellos que usan placas para aplicaciones médicas y automotrices a menudo prefieren placas flexibles debido a la tensión constante y la flexión a la que suelen estar sujetas estas placas de circuito impreso.

Sin embargo, la flexibilidad puede ser un detrimento para el proceso de fabricación de PCB, lo que resulta en serios problemas más adelante en el ensamblaje. Cuando se maneja con una máquina, una placa más flexible puede flexionarse cuando se trata con una máquina de soldar, lo que hace que el componente se suelde en ángulo. Además, esta flexión tiene el potencial de romper componentes recién colocados y conexiones que ya están en la placa.

5. Requisitos de diseño:el uso previsto afecta el espesor de FR4

Las placas delgadas no son preferibles en todos los casos, principalmente debido a las limitaciones que imponen las placas delgadas en los planos de PCB. Las placas delgadas FR4 no pueden presentar ranuras de manera factible, y no pueden ser demasiado grandes sin correr el riesgo de fracturarse. Sin embargo, las tablas más gruesas pueden lograr ambas cosas. Siempre tenga esto en cuenta al sopesar opciones entre espesores de FR4.

6. Compatibilidad de componentes:puede funcionar con una gama pequeña

El grosor de una placa también puede afectar la compatibilidad de los componentes con la placa. Al igual que los conectores de borde, muchos componentes funcionan con una pequeña variedad de grosores de placa. Esto es especialmente cierto para algunos componentes de orificio pasante, por ejemplo.

7. Peso:los productos más livianos pueden ser más atractivos

El grosor del FR4 afectará lógicamente al peso del PCB final. Si bien el peso es un problema menor en algunas aplicaciones, a menudo es una consideración en la electrónica de consumo. Los PCB más livianos generan productos más livianos, lo que los hace más baratos de enviar y, en algunos casos, más atractivos para los consumidores.

Cuándo usar FR4

Muchas aplicaciones electrónicas optan por utilizar la placa FR4 basada en epoxi. Su resistencia, confiabilidad y costo relativamente bajo hacen que los sustratos de epoxi FR4 sean una opción predeterminada lógica para los ingenieros electrónicos. Sin embargo, FR4 no es ideal para todas las situaciones, especialmente los diseños de alta frecuencia. Para estos diseños, los laminados de alta frecuencia tienden a ser una opción más común.

Elegir entre estos materiales puede ser difícil, por lo que enumeramos pautas más detalladas a continuación.

Cuando intente decidir si construir una placa de circuito impreso con FR-4 o un laminado de alta frecuencia, tenga en cuenta las siguientes características clave de cada uno.

Coste:FR4 será más barato

El material FR4 es una base de PCB muy común, principalmente por su costo relativamente bajo. Los laminados de alta frecuencia, por otro lado, tienen un precio considerablemente más alto, lo que es un inconveniente importante para los diseñadores y fabricantes preocupados por los costos. Este es el principal factor limitante para las empresas a la hora de elegir entre FR4 y laminados de alta frecuencia.

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Pérdida de señal:menor Df conduce a menor pérdida de señal

La pérdida de señal es, en muchos casos, una parte crítica del diseño de una PCB, especialmente en situaciones de alta frecuencia donde la pérdida de señal es un problema mayor. Para estos diseños, FR4 no es una opción ideal:FR4 tiene un Df o factor de disipación más alto que los laminados de alta frecuencia. Esto significa que los circuitos FR4 sufrirán más pérdida de señal que un circuito idéntico en un laminado de alta frecuencia.

El Df de FR4 es de alrededor de 0,020, mientras que el Df de la mayoría de los laminados de alta frecuencia es de alrededor de 0,004, una cuarta parte del Df de FR4. Cuanto menor sea el Df, menor será la pérdida de señal en general. El otro problema es que el Df de FR4 aumenta a medida que aumenta la frecuencia de la señal, lo que significa que a medida que aumenta la frecuencia de la señal, se produce una mayor pérdida de señal. Dado que los laminados de alta frecuencia tienen características Df más estables, experimentan menos pérdidas a frecuencias más altas.

Estabilidad de la impedancia:la estabilidad Dk importa

La impedancia estable es otro factor importante para muchos diseños, ya que a menudo significa un rendimiento más predecible, especialmente para circuitos más grandes o diseños de alta frecuencia. Nuevamente en esta área, FR4 y los laminados de alta frecuencia ofrecen resultados diferentes. Mantener una impedancia estable requiere que un material mantenga un Dk estable, o constante dieléctrica, en todo el material a medida que cambia la temperatura del material.

En este sentido, FR4 no es un material adecuado para mantener una impedancia estable, ya que su valor Dk varía mucho dentro de una sola placa y la temperatura de la placa cambia. Los laminados de alta frecuencia no tienen valores de Dk que varíen tanto, permaneciendo bastante constantes en el área de un tablero a medida que cambia la temperatura.

Gestión de temperatura:

El rendimiento de la temperatura es otro factor a tener en cuenta al elegir entre una placa FR4 o un laminado de alta frecuencia para una base de PCB. Al comparar el rendimiento de la temperatura, el coeficiente térmico de la constante dieléctrica proporciona un indicador decente. Este número mide cuánto cambia la constante dieléctrica de un material con la temperatura:

• Para FR4, este valor es de alrededor de 200 partes por millón por grado Celsius de cambio de temperatura
• Los laminados de alta frecuencia presentan un coeficiente térmico de constante dieléctrica de alrededor de 40 partes por millón por grado Celsius.

Aunque ambos pueden parecer números pequeños, ofrecen resultados muy diferentes. El coeficiente significativo de FR4 significa que el Dk de una placa FR4 puede variar considerablemente en su área. En comparación, el coeficiente más bajo para los laminados de alta frecuencia indica una menor variación de temperatura en el área del tablero. Esto es especialmente importante a tener en cuenta al diseñar placas destinadas a entornos más cálidos.

Constante dieléctrica:elija el valor correcto de Dk

A veces, la constante dieléctrica de una placa de circuito puede ser tan importante como cualquier otra característica de una placa. La constante dieléctrica de una placa de circuito afecta el tamaño de las líneas de transmisión de un circuito, especialmente en circuitos de alta frecuencia como los diseños de RF o microondas. Cuanto más pequeñas puedan ser las líneas de transmisión, más pequeño será el circuito en sí.

Por lo tanto, si se desea un tamaño de placa de circuito más pequeño, la mejor opción es un material de placa con un valor Dk más alto. FR4 presenta una constante dieléctrica de aproximadamente 4,5, que es más baja que el Dk de los materiales de alta frecuencia, que generalmente se encuentra entre 6,15 y 11. El uso de estos materiales Dk de alto valor puede tener resultados significativos, reduciendo en un 25 por ciento o más el tamaño del placa de circuito final.

Entorno operativo:

El entorno operativo del circuito es otra cosa a tener en cuenta al elegir entre un FR4 y una placa laminada de alta frecuencia. Esto incluye las condiciones ambientales, como la humedad y la temperatura. En ambos casos, los laminados de alta frecuencia brindan más resistencia a la humedad y al calor que el FR4, lo que significa que el entorno operativo tendrá un impacto significativamente menor en la función del circuito. Esta es una consideración crítica si la placa de circuito impreso operará en ambientes industriales extremos o al aire libre.

En resumen, los laminados de alta frecuencia presentan una amplia gama de características físicas, muchas de las cuales son superiores a FR4. El único inconveniente que sufren los laminados de alta frecuencia en comparación con el FR4 es un costo relativamente más alto, que es un factor importante para los diseñadores centrados en los costos. Entonces, la gran decisión es cuando las ventajas superan los costos de los laminados de alta frecuencia.

Hacer la elección:FR4 versus laminado de alta frecuencia

Entonces, utilizando toda la información mencionada anteriormente, ¿cómo puede un ingeniero eléctrico o un diseñador de PCB elegir entre FR4 y un laminado de alta frecuencia? En primer lugar, el diseñador debe enumerar y comparar los requisitos eléctricos y mecánicos de la placa de circuito impreso final, utilizando los parámetros más específicos posibles. Luego, el diseñador debe examinar qué tan bien cumplirá FR4 con estos parámetros en comparación con un laminado diseñado para manejar señales de alta frecuencia. Los datos más precisos para cada uno de los puntos anteriores están fácilmente disponibles utilizando las hojas de datos de la industria.

En resumen, FR4 es un material ampliamente relevante, popular principalmente por su bajo costo y relativa estabilidad mecánica y eléctrica. Si bien el material FR4 presenta amplios beneficios y está disponible en una variedad de grosores y tamaños, no es la mejor opción para todas las aplicaciones, especialmente aplicaciones de alta frecuencia como RF y diseños de microondas. En estos últimos casos, un laminado de alta frecuencia es la mejor opción. Aún así, es fácil ver por qué FR4 todavía se usa con tanta frecuencia hasta el día de hoy.

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