FR4 — это целый ряд различных стеклотекстолитов, используемых при производстве печатных плат. В данной статье мы рассмотрим преимущества и недостатки использования разновидности материала FR4 и FR4 HiTg и сравним их характеристики.
Как и другие материалы, стеклотекстолит имеет свойство расширяться при нагреве. Степень расширения характеризуется значением коэффициента теплового расширения (КТР). КТР величина переменная и зависит от другого важнейшего параметра — температуры стеклования.
Температура стеклования FR4 — это величина температурного порога, при превышении которого печатная плата начинает обладать пластичностью, в какой-то степени текучестью, и начинает ощутимо расширяться.
Температура стеклования обычного стеклотекстолита FR4 135 градусов. Материалы с температурой 170° и 180° считаются повышенными температурами стеклования и обозначаются FR4 HiTg.
Главная проблема печатных плат — значительное расширение при преодолении порога стеклования. Чем выше температура стеклования, тем меньше деформация, и, следовательно, повышение надежности платы.
Расширение приводит к разрыву или, наоборот — к замыканию дорожек, так как коэффициент температурного расширения меди отличен от КТР стеклотекстолита, проще говоря, малой пластичности меди недостаточно для того, чтобы противостоять усилию со стороны расширяющейся платы. Еще температурные расширения влияют на переходные отверстия и сквозные контактные площадки.
Важно отметить что процесс преодоления температуры стеклования не происходит мгновенно, и начало изменений происходит при гораздо меньших температурах, чем температура стеклования.
FR4 HiTg позволяет применять бессвинцовую пайку. Для FR4 Tg 135 данная процедура противопоказана.
Бессвинцовые припои дороже и имеют ряд особенностей, таких, например, как температурный режим пайки, но они экологичнее и удовлетворяют требованиям многих стран по производству электронных устройств. Поэтому всё чаще выбор падает на бессвинцовую технологию. При этом не следует забывать об особенностях материала платы.
Оптимальной температурой при пайке свинец-содержащими припоями считается температура 210 – 240°C, а температура плавления большинства бессвинцовых припоев лежит в интервале 240 – 270°C. При бессвинцовой пайке (при повышенной температуре) платы из обычного FR4 получают чрезмерные нагрузки в переходных отверстиях, за счет продолжительного нагрева стеклотекстолита выше температуры стеклования.
Еще одна критическая точка — температура разложения - Td. В отличие от преодоления печатной платой температуры стеклования, при достижении температуры разложения в структуре материала печатной платы начинают происходить необратимые последствия — начинают разрушаться химические связи и выделяться летучие соединения. Температура разложения считается достигнутой при потере печатной платой 5% от собственной массы. Это значение точки Td существенно выше (более 300°С), температуры стеклования Tg, и, конечно, выше температуры бессвинцовой пайки.
Почему FR HiTg более долговечный?
На рисунке представлен график влияния температуры на процесс потери массы материалом.
Как видно, при пайке, в диапазоне 210 - 270°C оба вида материала не достигают точки разложения, но при этом теряют некоторую часть своей массы. Очевидно, что у материала с более высокой температурой разложения эти потери меньше.
При выборе материалов стоит обращать внимание как на температуру стеклования, так и на температуру разложения. Они не всегда пропорционально связаны, хоть такая тенденция и существует, но разница между ними может быть не значительна. По большому счету, основным критерием выбора материала печатных плат остаётся температура стеклования, так как остальные критерии каким-либо образом зависят от нее.
Конечно, у плат с большим значением температуры стеклования присутствует и ряд недостатков. Например, повышение жесткости и уменьшение пластичности печатной платы может негативно сказаться на механических характеристиках платы. Попросту говоря — она более хрупкая. FR4 HiTg дороже.
Базовые характеристики FR4 используемых на нашем производстве материалов FR4
В последнее время прослеживается тенденция использовать в многослойных платах стеклотекстолит с высокой температурой стеклования, ведь очевидно, что возможные потери от брака при пайке и сниженный срок службы конечного изделия не покроет разница в стоимости материалов.
При этом FR4 с обычной температурой стеклования успешно применяется в простых платах, макетах и прототипах.