Wichtige Erkenntnisse
- Bedeutung von FR-4: 'FR' steht fuer Flame Retardant (flammhemmend), und '4' bezeichnet gewebtes glasfaserverstaerktes Epoxidharz nach NEMA LI 1-1998 und UL94 V-0 Entflammbarkeitsstandards.
- FR4 Dielektrizitaetskonstante (Dk): Liegt typischerweise zwischen 4,2 und 4,7 bei 1 GHz und nimmt mit steigender Signalfrequenz ab. Dk variiert je nach Glas-Harz-Verhaeltnis (z. B. 7628 schweres Glas vs. 1080 leichtes Glas).
- Thermische Grenzwerte (Tg, Td): Standard-FR-4 weist eine Glasuebergangstemperatur ($T_g$) von $130\text{--}140^\circ\text{C}$ auf, Mid-$T_g$ liegt bei $150^\circ\text{C}$ und High-$T_g$ erreicht $170\text{--}180^\circ\text{C}$. High-$T_g$-Rezepturen bieten essenzielle Sicherheitsmargen fuer bleifreies Reflow-Loeten ($260^\circ\text{C}$).
- Waermeausdehnungskoeffizient (CTE): In der Z-Achse dehnt sich Standard-FR-4 unterhalb von $T_g$ um ca. $50\text{--}70\text{ ppm/}^\circ\text{C}$ aus und steigt oberhalb von $T_g$ auf $250\text{--}300\text{ ppm/}^\circ\text{C}$.
- Mechanische Kennwerte: FR-4 besitzt eine typische Dichte von $1,85\text{ g/cm}^3$, einen Elastizitaetsmodul von 22--24 GPa und eine moderate Waermeleitfaehigkeit von $0,25\text{--}0,35\text{ W/m}\cdot\text{K}$.
Was ist FR-4? Zusammensetzung und Gueteklassen
Der Begriff FR4 PCB Material bezeichnet ein Verbundmaterial aus zwei Hauptkomponenten:
- Gewebtes Glasfasergewebe: E-Glas-Garne gewoben in standardisierte Gewebearten (wie 106, 1080, 2116, 3313 und 7628) sorgen fuer Zugfestigkeit, Biegesteifigkeit und Dimensionsstabilitaet.
- Epoxidharzmatrix: Ein duroplastisches Polymer mit bromierten oder halogenfreien Flammschutzmitteln und anorganischen Keramikfuellstoffen, das Kupferfolien verklebt und Leiterbahnen isoliert.
FR4 Materialeigenschaften im Datenblatt
| Eigenschaft | Pruefmethode (IPC-TM-650) | Standard FR-4 (Mid-Tg) | High-Tg FR-4 | Typische Einheit |
|---|---|---|---|---|
| Glass Transition Temp ($T_g$) | 2.4.24 (DSC) | 135 - 150 °C | 170 - 180 °C | °C |
| Decomposition Temp ($T_d$) | 2.4.24.6 (TGA 5% loss) | 310 - 325 °C | 340 - 355 °C | °C |
| Time to Delamination (T260) | 2.4.24.1 (TMA) | 5 - 15 min | 30 - 60+ min | min |
| Time to Delamination (T288) | 2.4.24.1 (TMA) | 0 - 2 min | 10 - 30 min | min |
| Z-Axis CTE (Below $T_g$) | 2.4.24 (TMA) | 50 - 70 | 40 - 50 | ppm/°C |
| Z-Axis CTE (Above $T_g$) | 2.4.24 (TMA) | 250 - 300 | 220 - 260 | ppm/°C |
| Z-Axis Expansion (50-260°C) | 2.4.24 (TMA) | 4.0 - 5.5% | 2.3 - 3.2% | % |
| Dielectric Constant ($D_k$, 1 GHz) | 2.5.5.9 | 4.3 - 4.6 | 4.2 - 4.5 | - |
| Loss Tangent ($D_f$, 1 GHz) | 2.5.5.9 | 0.016 - 0.022 | 0.012 - 0.018 | - |
| Volume Resistivity | 2.5.17 | 10^8 - 10^9 | 10^8 - 10^9 | MΩ·cm |
| Surface Resistivity | 2.5.17 | 10^7 - 10^8 | 10^7 - 10^8 | MΩ |
| Dielectric Breakdown | 2.5.6 | > 40 | > 45 | kV |
| Flexural Strength (Lengthwise) | 2.4.4 | > 450 | > 500 | MPa |
| Peel Strength (1 oz copper) | 2.4.8 | 1.4 - 1.8 (8 - 10) | 1.4 - 1.8 (8 - 10) | N/mm (lb/in) |
| Moisture Absorption | 2.6.2.1 | 0.15 - 0.25 | 0.10 - 0.18 | % |
| Thermal Conductivity | ASTM E1461 | 0.25 - 0.35 | 0.30 - 0.40 | W/m·K |
| Flammability Rating | UL 94 | V-0 | V-0 | Class |
Haeufig gestellte Fragen zu FR-4
Wie hoch ist die Dichte von FR4?
Die Dichte von ausgehaertetem FR-4 betraegt ueblicherweise 1,85 g/cm³ (ca. 0,067 lb/in³). Sie kann je nach Verhaeltnis von Glasgewebe zu Harz leicht zwischen 1,80 und 1,90 g/cm³ schwanken.
Welche Dielektrizitaetskonstante hat FR-4 bei 1 GHz?
Bei 1 GHz liegt die relative Permittivitaet ($Dk$) von Standard-FR-4 typischerweise zwischen 4,2 und 4,5. Bei 10 GHz faellt sie durch dielektrische Dispersion auf ca. 4,0 bis 4,2.
Wann sollte man High-Tg FR-4 gegenueber Standard-FR-4 waehlen?
High-Tg FR-4 ($T_g \ge 170^\circ\text{C}$) ist zwingend erforderlich fuer bleifreie Reflow-Prozesse, Multilayer-Platinen mit mehr als 6 Lagen sowie Industrie- und Automobilanwendungen mit erhoehten Betriebstemperaturen.
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