Hầu hết các kỹ sư điện và cá nhân liên quan đến bo mạch in đều quen thuộc với vật liệu FR4. FR4 là vật liệu xương sống để chế tạo hầu hết các bo mạch cứng. Tuy nhiên, nhiều người không biết FR4 là gì, chưa nói đến lý do tại sao nó là loại nền PCB phổ biến nhất.
Đọc tiếp để tìm hiểu thêm về bo mạch in FR4, nó là gì, tại sao nó lại phổ biến và thông số kỹ thuật của FR4 PCB so với các tùy chọn khác như thế nào.
Vật liệu FR4 là gì?
FR4, còn được viết là FR-4, vừa là tên vừa là xếp hạng tiêu chuẩn. Tên này được áp dụng cho các tấm ép epoxy gia cố bằng sợi thủy tinh được sử dụng trong sản xuất bo mạch in. Tuy nhiên, tên gọi này cũng có chức năng như một cấp được sử dụng để đánh giá các tấm laminate epoxy. Việc chỉ định chỉ ra chất lượng cơ bản của một tấm laminate, có nghĩa là nhiều loại vật liệu và thiết kế nằm dưới xếp hạng FR4. Chữ “FR” trong tên gọi là chất chống cháy, trong khi chữ 4 phân biệt vật liệu với những vật liệu khác cùng loại.
Vật liệu được gọi rộng rãi là FR4 là một cấu trúc hỗn hợp. Lớp cơ bản nhất của vật liệu là sợi thủy tinh được dệt thành một tấm mỏng như vải. Sợi thủy tinh mang lại cho FR4 sự ổn định cấu trúc cần thiết. Lớp sợi thủy tinh trong cùng này sau đó được bao quanh và kết dính bởi một lớp nhựa epoxy chống cháy. Loại nhựa này là thứ mang lại độ cứng cho vật liệu, trong số các đặc tính vật lý khác của nó.
Tấm FR4 phổ biến rộng rãi trong giới kỹ sư điện và nhà thiết kế như một vật liệu cơ bản cho gia công PCB. Giá rẻ và tính linh hoạt của vật liệu, cũng như nhiều các đặc tính vật lý có lợi của nó, là nguyên nhân dẫn đến sự phổ biến đó. Tấm FR4 là chất cách điện với độ bền điện môi cao. Nó cũng có tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao và nhẹ và có khả năng chống ẩm. Với khả năng chịu nhiệt độ tương đối của nó, vật liệu FR4 có thể hoạt động tốt trong hầu hết các điều kiện môi trường.
FR-4 được sử dụng như thế nào trong PCB?
Những tính chất kể trên làm cho FR4 trở thành vật liệu nền mặc định lý tưởng cho các quy trình sản xuất PCB chất lượng. Khi được sử dụng một cách thích hợp, những đặc tính này cũng có thể tạo thành nền tảng của PCB chất lượng cao và giá rẻ.
Trong PCB, FR4 tạo thành xương sống cách điện chính. Đây là cơ sở mà công ty sản xuất xây dựng mạch. Sau khi chuẩn bị, bo FR4 được dát một hoặc nhiều lớp lá đồng bằng cách sử dụng nhiệt và chất kết dính. Đồng này tạo thành các mạch trong thành phẩm và có thể bao phủ một hoặc cả hai mặt, tùy thuộc vào thiết kế của bo.
Các PCB phức tạp có thể sử dụng nhiều hơn một mặt hoặc thậm chí lớp bo mạch để tạo ra các mạch phức tạp hơn. Từ đây, các mạch được vẽ và khắc ra trước khi được phủ bởi một lớp mặt nạ hàn, chuẩn bị cho lớp màn lụa cuối cùng và quá trình hàn tiếp theo.
Cách chọn độ dày FR4
Khi đặt hàng một bo laminate cho một dự án PCB, nhà thiết kế hoặc kỹ sư điện phải chỉ định độ dày FR4 được đo bằng các đơn vị dựa trên inch, chẳng hạn như phần nghìn inch, hoặc em, hoặc milimét, tùy thuộc vào đơn vị nào thích hợp nhấ. Độ dày của một tấm FR4 dao động với khoảng rộng tùy thuộc vào nhu cầu của dự án.
Mặc dù độ dày của bo mạch có vẻ không phải là một yếu tố quan trọng trong thiết kế của PCB, nhưng trên thực tế, đó là một tính năng thiết yếu. Độ dày của bo ảnh hưởng đến một số khía cạnh của chức năng của bo, đó là lý do tại sao một số yếu tố được xem xét khi xác định độ dày của bo để thiết kế như:
- Không gian: mỏng hơn có thể tốt hơn
Nếu không gian liên quan đến thiết kế, bo FR4 mỏng hơn có xu hướng được ưu tiên hơn. Đây là yếu tố chủ yếu để sản xuất các thiết bị nhỏ, như đầu nối USB và nhiều phụ kiện Bluetooth. Ngay cả đối với các dự án lớn hơn, các PCB FR4 nhỏ hơn có xu hướng được ưa chuộng để tiết kiệm không gian bên trong thiết bị.
- Kết nối: sai có thể dẫn đến thiệt hại
Thiết kế PCB hai mặt yêu cầu một đầu nối cạnh để nối hai cạnh. Đây có thể là một yếu tố hạn chế chính đối với kích thước cuối cùng của PCB vì các đầu nối cạnh PCB chỉ phù hợp với một độ dày PCB cụ thể. Phần giao của đầu nối phải vừa khít với mặt bên của PCB, nếu không có nguy cơ trượt hoặc hư hỏng PCB. Đây là một trong những lý do chính tại sao thiết kế mạch điện trước khi chọn vật liệu cho mạch.
- Kết hợp trở kháng: cần thiết để duy trì chức năng của bo mạch
Mỗi bo nhiều lớp hoạt động như một tụ điện trên các lớp liền kề. Đây là lý do tại sao độ dày của bo rất quan trọng. Độ dày của vật liệu PCB FR4 quyết định độ dày của chất điện môi, do đó ảnh hưởng đến giá trị của điện dung.
Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng đối với một số PCB tần số cao, chẳng hạn như thiết kế RF và vi sóng. Các thiết kế tần số cao tập trung vào kết hợp trở kháng như một thành phần thiết yếu để duy trì chức năng tối ưu của bo mạch, do đó, việc nhận được điện dung phù hợp cho mỗi lớp là rất quan trọng.
- Tính linh hoạt: phụ thuộc vào ứng dụng
Các bo mỏng hơn có thể linh hoạt trong một số công suất. Tính linh hoạt có thể là một tính năng tích cực hoặc tiêu cực, tùy thuộc vào ứng dụng.
Các bo mạch dẻo có xu hướng được ưa chuộng hơn trong một số ứng dụng mà sản phẩm thường xuyên chịu lực hoặc uốn. Ví dụ, những người sử dụng bo mạch cho các ứng dụng y tế và ô tô thường thích bo mạch dẻo do ứng suất và độ uốn liên tục mà các PCB này thường phải chịu.
Tuy nhiên, tính linh hoạt có thể gây bất lợi cho quá trình sản xuất PCB, dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng trong quá trình lắp ráp sau này. Khi được xử lý bằng máy, bo dẻo có thể bị uốn cong khi xử lý bằng máy hàn, khiến linh kiện được hàn ở một góc. Ngoài ra, sự uốn cong này có khả năng làm gãy các thành phần và kết nối mới được đặt sẵn trên bo mạch.
- Yêu cầu thiết kế: tác động mục đích sử dụng độ dày FR4
Bo mạch mỏng không được ưa chuộng trong mọi trường hợp, chủ yếu do những hạn chế của bo mạch mỏng trong các gói PCB. Bo FR4 mỏng không thể có rãnh và nó không được quá lớn mà không có nguy cơ bị gãy. Tuy nhiên, bo dày hơn có thể thực hiện được cả hai điều này. Luôn tính đến điều này khi lựa chọngiữa các độ dày FR4.
- Khả năng tương thích của thành phần: Có thể hoạt động với phạm vi nhỏ
Độ dày của bo mạch cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng tương thích của các thành phần với bo mạch. Cũng giống như các đầu nối cạnh, nhiều thành phần hoạt động với một phạm vi độ dày nhỏ của bo mạch. Điều này đặc biệt đúng đối với một số linh kiện xuyên lỗ.
- Trọng lượng: sản phẩm nhẹ hơn có thể hấp dẫn hơn
Về mặt logic, độ dày FR4 sẽ ảnh hưởng đến trọng lượng của PCB cuối cùng. Trong khi trọng lượng không phải là vấn đề trong một số ứng dụng, nó thường được cân nhắc trong các thiết bị điện tử tiêu dùng. PCB nhẹ hơn tạo ra các sản phẩm nhẹ hơn, giúp giá vận chuyển rẻ hơn và trong một số trường hợp, hấp dẫn hơn đối với người tiêu dùng.
Khi nào sử dụng FR4
Nhiều ứng dụng điện tử chọn sử dụng bảng FR4 gốc epoxy. Độ bền, độ tin cậy và chi phí tương đối thấp của nó làm cho nền epoxy FR4 trở thành sự lựa chọn mặc định hợp lý cho các kỹ sư điện tử. Tuy nhiên, FR4 không phải là lý tưởng cho mọi trường hợp, đặc biệt là các thiết kế tần số cao. Đối với những thiết kế này, laminate cao tần có xu hướng là sự lựa chọn phổ biến hơn.
Việc lựa chọn giữa các vật liệu này có thể khó khăn, đó là lý do tại sao Điện Tử Tương Lai liệt kê các hướng dẫn chi tiết hơn bên dưới.
Khi quyết định xây dựng một PCB với FR-4 hay laminate tần số cao, hãy xem xét các đặc điểm chính sau đây của mỗi loại.
Chi phí: FR4 sẽ rẻ hơn
Vật liệu FR4 là một nền PCB rất phổ biến, chủ yếu là vì giá thành tương đối thấp. Mặt khác, laminate tần số cao có giá cao hơn đáng kể, đây là một nhược điểm đáng kể đối với các nhà thiết kế và nhà sản xuất quan tâm đến chi phí. Đây là yếu tố hạn chế chính đối với các công ty khi lựa chọn giữa FR4 và laminate cao tần.
Mất tín hiệu: Df thấp hơn dẫn đến mất tín hiệu thấp hơn
Mất tín hiệu, trong nhiều trường hợp, là một phần quan trọng của thiết kế PCB, đặc biệt là trong các tình huống tần số cao, nơi mất tín hiệu là vấn đề đáng quan tâm. Đối với những thiết kế này, FR4 không phải là một lựa chọn lý tưởng. FR4 có hệ số tản nhiệt hay Df cao hơn so với laminate tần số cao. Điều này có nghĩa là các mạch FR4 sẽ bị suy hao tín hiệu nhiều hơn so với một mạch giống hệt nhau trên laminate tần số cao.
Df của FR4 là khoảng 0,020, trong khi Df của hầu hết các laminate tần số cao là khoảng 0,004, một phần tư của FR4 Df. Df càng thấp, tổng thể càng ít mất tín hiệu. Vấn đề khác là Df của FR4 tăng khi tần số của tín hiệu tăng lên, có nghĩa là khi tần số của tín hiệu tăng lên, thì xảy ra nhiều mất tín hiệu hơn. Vì laminate tần số cao có các đặc tính Df ổn định hơn, nó ít bị suy hao hơn ở các tần số cao hơn.
Độ ổn định trở kháng: Các vấn đề về độ ổn định Dk
Trở kháng ổn định là một yếu tố quan trọng khác đối với nhiều thiết kế, vì nó thường có nghĩa là hiệu suất dễ dự đoán hơn, đặc biệt là đối với các mạch lớn hơn hoặc thiết kế tần số cao. Một lần nữa FR4 và laminate tần số cao cung cấp các kết quả khác nhau. Duy trì trở kháng ổn định đòi hỏi vật liệu phải duy trì Dk ổn định, hoặc hằng số điện môi, trên toàn bộ vật liệu khi nhiệt độ của vật liệu thay đổi.
Về vấn đề này, FR4 không phải là vật liệu thích hợp để duy trì trở kháng ổn định, vì giá trị Dk của nó rất khác nhau trong một bo mạch duy nhất và khi nhiệt độ của bo mạch thay đổi. Laminate tần số cao không có các giá trị Dk thay đổi nhiều, duy trì khá ổn định trên diện tích của bo khi nhiệt độ thay đổi.
Quản lý nhiệt độ:
Hiệu suất nhiệt độ là một yếu tố khác cần xem xét khi lựa chọn giữa bo FR4 hoặc laminate tần số cao cho nền PCB. Khi so sánh hiệu suất nhiệt độ, hệ số nhiệt của hằng số điện môi là thước đo phù hợp. Con số này đo lường mức độ thay đổi hằng số điện môi của vật liệu theo nhiệt độ:
Đối với FR4, giá trị này nằm trong khoảng 200 phần triệu mỗi độ C thay đổi nhiệt độ
Laminate cao tần có hệ số nhiệt của hằng số điện môi khoảng 40 phần triệu trên độ C.
Mặc dù cả hai có vẻ như là những con số nhỏ, nhưng chúng mang lại nhiều kết quả khác nhau. Hệ số đáng kể của FR4 có nghĩa là Dk của bog FR4 có thể thay đổi đáng kể trong khu vực của nó. Trong khi đó, hệ số thấp hơn đối với laminate tần số cao cho thấy sự thay đổi nhiệt độ ít hơn trong khu vực của bo. Điều này đặc biệt quan trọng cần xem xét khi thiết kế bo mạch dành cho môi trường nóng.
Hằng số điện môi: chọn giá trị Dk đúng
Đôi khi hằng số điện môi của bo mạch có thể quan trọng như bất kỳ tính năng nào khác của bo. Hằng số điện môi của bo mạch ảnh hưởng đến kích thước đường truyền của mạch, đặc biệt là trong các mạch tần số cao như RF hoặc thiết kế vi sóng. Các đường truyền có thể càng nhỏ thì bản thân mạch điện càng nhỏ.
Do đó, nếu mong muốn kích thước bo mạch nhỏ thì vật liệu bo có giá trị Dk cao là lựa chọn tốt nhất. FR4 có hằng số điện môi khoảng 4,5, thấp hơn Dk của vật liệu tần số cao, thường nằm trong khoảng 6,15 đến 11. Sử dụng các vật liệu Dk giá trị cao này có thể mang lại kết quả đáng kể, loại bỏ 25% hoặc hơn kích thước của bo mạch cuối cùng.
Môi trường vận hành:
Môi trường hoạt động cho mạch là một điều khác cần lưu ý khi lựa chọn giữa FR4 và bo laminate tần số cao. Điều này bao gồm các điều kiện môi trường, như độ ẩm và nhiệt độ. Trong cả hai trường hợp, laminate tần số cao cung cấp khả năng chống ẩm và nhiệt tốt hơn FR4, có nghĩa là môi trường hoạt động sẽ ít ảnh hưởng hơn đến chức năng của mạch. Đây là một cân nhắc quan trọng nếu PCB sẽ hoạt động trong môi trường ngoài trời hoặc môi trường công nghiệp khắc nghiệt.
Nói tóm lại, laminate tần số cao có một loạt các đặc tính vật lý, trong đó có nhiều đặc tính ưu việt hơn FR4. Hạn chế duy nhất của laminate cao tần so với FR4 là chi phí tương đối cao hơn, đây là một yếu tố quan trọng đối với các nhà thiết kế tập trung vào chi phí. Khi đó, quyết định quan trọng là khi những ưu điểm vượt trội hơn chi phí của laminate tần số cao.
