Cosa significa FR-4

 

FR-4, abbreviazione di Ritardante di Fiamme (Flame Retardant) 4, è un tipo di materiale utilizzato per fare schede per circuiti stampati (PCB). Esso è impiegato nel substrato della scheda, senza strato di rame. FR-4 soddisfa i requisiti UL94-V0 di Underwriters Laboratories. L’FR-4 utilizzato in PCB è tipicamente stabilizzato UV, con un sistema di resina epossidica tetra-funzionale. Di solito ha un colore trasparente giallastro – il colore verde, rosso, e talvolta,  blu di una scheda finita proviene dalla maschera di saldatura.

L’FR-4 prodotto rigorosamente come un isolante (senza rivestimento in rame) è tipicamente un sistema di resina epossidica disfunzionale di colore verdastro. FR-4 è simile a un materiale di più vecchia generazione chiamato G-10. G-10 non aveva le caratteristiche  di infiammabilità autoestinguente di FR-4. FR-4 ha ampiamente sostituito G-10 in maggior parte delle applicazioni. Alcune applicazioni militari, dove la distruzione del circuito è una caratteristica auspicabile,  utilizzeranno ancora la G-10.

 

Spiegazione

Una PCB (printed circuit board o scheda per circuiti stampati) deve essere isolante per evitare il corto circuito, fisicamente forte per proteggere i circuiti di rame messi su di esso, e deve avere alcune altre qualità fisiche ed elettriche (vedi sotto). FR-4 è preferito su alternative più economiche come la resina sintetica di carta incollata (SRBP, FR-1 e FR-2) a causa di diverse proprietà meccaniche ed elettriche, perde meno  dati ad alte frequenze, assorbe meno acqua, ha una maggiore resistenza e rigidità ed è altamente resistente alla fiamma rispetto al suo omologo meno costoso. FR-4 è ampiamente utilizzato per le costruzioni di fascia alta, industriali, militari e apparecchiature elettroniche. È anche compatibile con l’ “ultra alto isolamento” (ultra high vacuum - UHV).

FR-4 come materiale per le PCB deve affrontare una serie di limitazioni. Essi sono dovuti al trattamento preparatorio a base del processo produttivo, utilizzato per produrre il substrato da cui le PCB sono fabbricate. In particolare, tendono a produrre materiale che soffre di inclusioni (bolle d'aria) e striature (bolle d'aria longitudinali), nonché una deformazione del tessuto di vetro.  Queste imperfezioni possono portare a filamenti conduttivi anodici (CAF) (causati dalla migrazione elettrochimica), problemi con coerenza costante dielettrica (DK) (a causa di zone con poca o molta resina) e problemi di rendimento (connessioni rotte sulla PCB) quando una PCB e i suoi componenti vengono saldati di nuovo. Alla luce di queste problematiche, FR-4 può essere considerato  come un vettore meccanico piuttosto che un isolante elettrico omogeneo. Per affrontare questi problemi, nuovi tipi di materiale di vetro resina epossidica stanno diventando disponibili (ad esempio monostrato) che, pur chimicamente identici al "vecchio" materiale, non soffrono dei problemi che attualmente sono connessi all’FR-4.

Materiali avanzati  in vetro epossidico con cariche riempite (ad esempio: fenolici- materiali riempiti) hanno in genere costi più elevati e maggiore difficoltà nella perforazione / metallizzazione. La scelta di FR-4 rappresenta spesso un equilibrio di costi e prestazioni.

FR-4 è un composto di resina epossidica rinforzata con un tessuto in fibra di vetro mat [2]. Si tratta di un materiale della classe di resina epossidica incollata in tessuto di vetro (ERBGF)

 

Proprietà	Valore
Costante dielettrica (permettività)	4.70 max, 4.35 @ 500 MHz, 4.34 @ 1 GHz
Fattore di dissipazione (tangente di perdita)	0.02 @1 MHz, 0.01 @ 1 GHz
Resistenza dielettrica	20 kV/mm (500 V/mil)
Resistività di superficie (min)	2×105 MΩ
Resistività di volume (min)	8×107 MΩ·cm2/cm
Spessore tipico	1.25–2.54 mm (0.049–0.100 pollici)
Rigidità tipica (modulo di Young)	17 Gpa (2.5×106 PSI; per uso nelle PCBs)
Tg (temperatura di transizione vetrosa)	110–200 °C per la fabbricazione e il sistema di resina
Coefficiente di espansione termica	11ppm/K (fibra di vetro longitudinalmente )
Coefficiente di espansione termica	15ppm/K (fibra di vetro trasversalmente )
Densità	1.91 kg/L

 

 

Applicazione 

FR-4 è accettabile per i segnali fino a circa 2 GHz, a seconda dell'applicazione. (Perdita e  interferenze aumenteranno, soprattutto se la stessa scheda FR-4  trasporta più segnali ad alta frequenza.) Altri materiali, quali la scheda Rogers 4.003, forniscono caratteristiche elettriche superiori a frequenze più elevate. 

FR-4 è utilizzato anche per la produzione di isolanti e componenti strutturali.