Conclusiones clave
- Que significa FR-4: 'FR' significa Flame Retardant (retardante de llama), y '4' senala la resina epoxi reforzada con tejido de vidrio segun estandares NEMA LI 1-1998 y UL94 V-0.
- Constante dielectrica del FR4 (Dk): Varia habitualmente entre 4,2 y 4,7 a 1 GHz, disminuyendo a medida que aumenta la frecuencia segun la fraccion de fibra y resina.
- Umbrales termicos (Tg, Td): El FR-4 convencional tiene una temperatura de transicion vitrea ($T_g$) de $130\text{--}140^\circ\text{C}$, el Mid-$T_g$ ronda $150^\circ\text{C}$ y el High-$T_g$ alcanza $170\text{--}180^\circ\text{C}$ para ensamblaje sin plomo ($260^\circ\text{C}$).
- Coeficiente de expansion termica (CTE): En el eje Z, el FR-4 estandar se expande unos $50\text{--}70\text{ ppm/}^\circ\text{C}$ bajo $T_g$, saltando a $250\text{--}300\text{ ppm/}^\circ\text{C}$ por encima de $T_g$.
- Propiedades mecanicas: Densidad media de $1,85\text{ g/cm}^3$, modulo de Young de 22--24 GPa y conductividad termica de $0,25\text{--}0,35\text{ W/m}\cdot\text{K}$.
Que es el FR-4? Composicion y grados
El concepto de material FR4 para PCB define un compuesto basado en dos elementos clave:
- Tejido de fibra de vidrio: Hilos de vidrio E entretejidos en patrones normalizados (106, 1080, 2116, 7628) que aportan rigidez y estabilidad dimensional.
- Matriz de resina epoxi: Polimero termoestable con agentes ignifugos que aísla las pistas y fija las laminas de cobre.
Ficha tecnica de propiedades del material FR4
| Propiedad | Metodo de prueba (IPC-TM-650) | FR-4 estandar (Mid-Tg) | FR-4 High-Tg | Unidad tipica |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
Preguntas frecuentes sobre el FR-4
Cual es la densidad del FR4?
La densidad tipica del FR-4 polimerizado es de 1,85 g/cm³ (aprox. 0,067 lb/in³).
Cual es la constante dielectrica del FR-4 a 1 GHz?
A 1 GHz, la permitividad relativa ($Dk$) suele oscilar entre 4,2 y 4,5, disminuyendo progresivamente con frecuencias mas altas.
Cuando se debe especificar FR-4 High-Tg?
El FR-4 High-Tg ($T_g \ge 170^\circ\text{C}$) es imprescindible en procesos de reflujo libre de plomo RoHS, placas multicapa de alta densidad y entornos automotrices o industriales.
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