FR4 Dijelaskan: Aplikasi Ideal dan Keterbatasan untuk Desain PCB

Lompat Ke: 

Apa Itu Bahan Substrat FR4?

Bagaimana FR-4 Digunakan dalam PCB?

Bagaimana Memilih Ketebalan FR4

Kapan Menggunakan FR4

Manajemen Suhu

Memilih: FR4 vs Laminat Frekuensi Tinggi

 

Sebagian besar insinyur listrik dan individu yang terlibat dengan papan sirkuit tercetak familiar dengan bahan FR4. FR4 adalah bahan inti di atasnya sebagian besar papan sirkuit kaku dibangun. Namun, banyak yang tidak tahu apa itu FR4, apalagi mengapa itu adalah dasar PCB paling populer.

Baca selengkapnya untuk mempelajari lebih lanjut tentang papan sirkuit tercetak FR4, seperti apa itu, mengapa begitu populer dan bagaimana spesifikasi PCB FR4 dibandingkan dengan opsi lain dalam industri.

Apa Itu Bahan Substrat FR4? 

FR4, juga ditulis sebagai FR-4, adalah baik nama maupun standar penilaian. Nama diterapkan pada lembar epoksi laminat yang diisi serat kaca yang digunakan dalam manufaktur papan sirkuit tercetak. Namun, nama juga berfungsi sebagai grade yang digunakan untuk menilai lembar epoksi laminat. Penyebutan pada dasarnya menunjukkan kualitas dasar lembar laminat, sehingga berbagai bahan dan desain lembar termasuk dalam penilaian FR4. "FR" dalam nama berarti flame retardant, sementara 4 membedakan bahan dari yang lain dalam kelas yang sama.

Bahan yang secara luas dikenal sebagai FR4 adalah struktur komposit. Lapisan paling dasar dari bahan adalah serat kaca yang dipintal menjadi lembar tipis seperti kain. Serat kaca memberikan FR4 stabilitas struktural yang diperlukan. Lapisan serat kaca terdalam ini kemudian dikelilingi dan dikaitkan oleh resin epoksi tahan api. Resin inilah yang memberikan bahan kekakuan, di antara properti fisik lainnya.

Lembar FR4 sangat populer di kalangan insinyur listrik dan perancang sebagai bahan dasar PCB. Biaya rendah dan keberagaman bahan, serta kekayaan properti fisik yang bermanfaat, menjamin popularitas itu. Lembar FR4 adalah isolator listrik dengan kekuatan dielektrik tinggi. Mereka juga memiliki rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi dan ringan serta tahan kelembaban. Tambahkan ini ke resistensi suhu relatif mereka, dan bahan FR4 dapat beroperasi dengan baik dalam sebagian besar kondisi lingkungan.

 

Request a Free Quote

 

Bagaimana FR-4 Digunakan dalam PCB?

Kualitas ini menjadikan FR4 bahan substrat default yang ideal untuk proses manufaktur PCB berkualitas. Saat digunakan dengan tepat, properti ini juga dapat membentuk dasar dari PCB berkualitas tinggi dan berbiaya rendah.

Di dalam PCB, FR4 membentuk tulang punggung isolator utama. Ini adalah dasar di mana perusahaan manufaktur membangun sirkuit. Setelah disiapkan, papan FR4 dilapisi dengan satu atau lebih lapisan folia tembaga menggunakan panas dan perekat. Tembaga ini membentuk sirkuit dalam produk akhir dan dapat mencakup satu atau kedua sisi, tergantung pada desain papan.

PCB kompleks mungkin menggunakan lebih dari satu sisi atau bahkan berlapis papan sirkuit untuk menghasilkan sirkuit yang lebih canggih. Dari sini, sirkuit digambar dan di-etched sebelum ditutupi dengan lapisan solder mask, mempersiapkan papan untuk lapisan silkscreen akhir dan proses soldering berikutnya.

 

Bagaimana Memilih Ketebalan FR4

Saat memesan lembar laminat untuk proyek PCB, perancang atau insinyur listrik harus menentukan ketebalan FR4. Ini diukur dalam satuan berbasis inci, seperti ribuan inci, atau thou, atau milimeter, tergantung pada yang paling sesuai untuk pengaturan. Ketebalan lembar FR4 bervariasi secara luas tergantung pada kebutuhan proyek, tetapi cenderung berkisar dari sepuluh thou hingga tiga inci.

Sementara ketebalan papan mungkin tidak terlihat sebagai faktor signifikan dalam desain PCB, dalam kenyataannya, ini adalah fitur penting. Ketebalan papan mempengaruhi beberapa aspek fungsionalitas papan, itulah mengapa beberapa faktor dipertimbangkan dalam menentukan ketebalan papan untuk desain. Ini meliputi berikut ini.

 

1. Ruang: Tipis Lebih Baik

Jika ruang menjadi perhatian perancang, papan FR4 yang lebih tipis cenderung lebih disukai. Ini adalah faktor utama untuk manufaktur perangkat yang lebih kecil, seperti konektor USB dan banyak aksesori Bluetooth. Bahkan untuk proyek yang lebih besar, papan PCB FR4 yang lebih kecil cenderung disukai untuk menghemat ruang dalam perangkat.

 

2. Koneksi: Yang Salah Bisa Akibatkan Kerusakan

Desain PCB dua sisi memerlukan konektor tepi untuk menghubungkan kedua sisi. Ini dapat menjadi faktor pembatas utama untuk ukuran akhir PCB karena konektor tepi PCB hanya cocok dengan himpunan ketebalan PCB tertentu. Bagian pasangan konektor harus muat rapat di sisi PCB, atau beresiko geser atau kerusakan pada PCB. Ini adalah salah satu alasan utama mengapa desain sirkuit datang sebelum memilih bahan untuk sirkuit.

 

3. Pencocokan Impedansi: Esensial untuk Mempertahankan Fungsi Papan

Setiap papan berlapis bertindak sebagai kapasitor pada lapisan berseberangan. Itulah mengapa ketebalan papan ini sangat penting — ketebalan bahan FR4 PCB menentukan ketebalan dielektrik, yang pada gilirannya mempengaruhi nilai kapasitansi.

Ini adalah faktor yang sangat penting untuk beberapa PCB frekuensi tinggi, seperti desain RF dan mikrogelombang. Desain frekuensi tinggi fokus pada pencocokan impedansi sebagai komponen esensial untuk mempertahankan fungsi papan optimal, jadi mendapatkan kapasitansi yang tepat untuk setiap lapisan sangat penting.

 

4. Fleksibilitas: Bergantung pada Aplikasi

Papan yang lebih tipis dapat membengkok dalam beberapa kapasitas. Sementara ini adalah sifat yang tidak biasa, fleksibilitas dapat menjadi fitur positif atau negatif, tergantung pada aplikasi.

Papan yang lebih fleksibel cenderung lebih disukai dalam beberapa aplikasi di mana produk secara teratur mengalami stres atau dibengkokkan. Misalnya, mereka yang menggunakan papan untuk aplikasi medis dan otomotif sering memilih papan fleksibel karena stres dan bengkokan konstan yang sering dialami PCB ini.

Namun, fleksibilitas dapat menjadi kerugian untuk proses manufaktur PCB, yang mengakibatkan masalah serius nanti dalam perakitan. Saat ditangani oleh mesin, papan yang lebih fleksibel mungkin membengkok saat ditangani oleh mesin solder, menyebabkan komponen disolder pada sudut. Selain itu, bengkokan ini memiliki potensi untuk merusak komponen dan koneksi yang baru ditempatkan yang sudah ada pada papan.

 

5. Persyaratan Desain: Penggunaan yang Dimaksud Mempengaruhi Ketebalan FR4

Papan tipis tidak disukai dalam semua kasus, terutama karena keterbatasan yang ditimbulkan papan tipis pada rencana PCB. Papan FR4 tipis tidak dapat secara layak memiliki gerongan, dan tidak dapat terlalu besar tanpa beresiko retakan. Papan yang lebih tebal, namun, dapat melakukan keduanya. Selalu pertimbangkan ini saat menimbang opsi antara ketebalan FR4.

 

6. Kompatibilitas Komponen: Mungkin Bekerja dengan Rentang Kecil

Ketebalan papan juga dapat mempengaruhi kompatibilitas komponen dengan papan. Sama seperti konektor tepi, banyak komponen bekerja dengan rentang kecil ketebalan papan. Ini terutama benar untuk beberapa komponen lubang melalui, misalnya.

 

7. Berat: Produk yang Lebih Ringan Mungkin Lebih Menarik

Ketebalan FR4, secara logis, akan mempengaruhi berat PCB akhir. Sementara berat kurang menjadi masalah dalam beberapa aplikasi, ini sering menjadi pertimbangan dalam elektronik konsumen. PCB yang lebih ringan membuat produk yang lebih ringan, yang membuatnya lebih murah untuk dikirim dan, dalam beberapa kasus, lebih menarik bagi konsumen.

 

Kapan Menggunakan FR4

Banyak aplikasi elektronik memilih untuk menggunakan papan FR4 berbasis epoksi. Kekuatan, keandalan dan biaya relatif rendah mereka menjadikan substrat epoksi FR4 pilihan default yang logis bagi insinyur elektronik. Namun, FR4 tidak ideal untuk semua situasi, terutama desain frekuensi tinggi. Untuk desain ini, laminat frekuensi tinggi cenderung menjadi pilihan yang lebih umum.

Memilih antara bahan ini mungkin sulit, itulah mengapa kami mencantumkan pedoman yang lebih detail di bawah ini.

Saat mencoba memutuskan apakah akan membangun PCB dengan FR-4 atau laminat frekuensi tinggi, pertimbangkan fitur utama masing-masing berikut ini.

 

Biaya: FR4 Akan Lebih Murah

Bahan FR4 adalah dasar PCB yang sangat umum, terutama karena biaya relatif rendahnya. Laminat frekuensi tinggi, di sisi lain, jauh lebih mahal, yang merupakan kekurangan signifikan bagi perancang dan produsen yang peduli pada biaya. Ini adalah faktor pembatas utama bagi perusahaan saat memilih antara FR4 dan laminat frekuensi tinggi.

Dapatkan Harga dan Waktu Produksi

 

Kehilangan Sinyal: Df Lebih Rendah Mengarah pada Kehilangan Sinyal yang Lebih Rendah

Kehilangan sinyal adalah, dalam banyak kasus, bagian kritis dari desain PCB, terutama dalam situasi frekuensi tinggi di mana kehilangan sinyal lebih menjadi masalah. Untuk desain ini, FR4 bukan pilihan yang ideal — FR4 memiliki Df, atau faktor dissipasi, yang lebih tinggi daripada laminat frekuensi tinggi. Ini berarti sirkuit FR4 akan menderita kehilangan sinyal lebih banyak daripada sirkuit identik pada laminat frekuensi tinggi.

Df FR4 sekitar 0,020, sementara Df sebagian besar laminat frekuensi tinggi sekitar 0,004, seperempat Df FR4. Semakin rendah Df, semakin sedikit kehilangan sinyal secara keseluruhan. Masalah lain adalah Df FR4 meningkat seiring meningkatnya frekuensi sinyal, berarti seiring meningkatnya frekuensi sinyal, lebih banyak kehilangan sinyal terjadi. Karena laminat frekuensi tinggi memiliki karakteristik Df yang lebih stabil, mereka mengalami kehilangan yang lebih sedikit pada frekuensi yang lebih tinggi.

 

Stabilitas Impedansi: Stabilitas Dk Penting

Impedansi yang stabil adalah faktor penting lainnya untuk banyak desain, karena ini sering berarti performa yang lebih dapat diprediksi, terutama untuk sirkuit yang lebih besar atau desain frekuensi tinggi. Lagi di area ini, FR4 dan laminat frekuensi tinggi menawarkan hasil yang berbeda. Mempertahankan impedansi stabil memerlukan bahan untuk mempertahankan Dk, atau konstanta dielektrik, yang stabil di seluruh bahan seiring dengan perubahan suhu bahan.

Dalam hal ini, FR4 bukan bahan yang cocok untuk mempertahankan impedansi stabil, karena nilai Dk-nya bervariasi secara luas dalam satu papan dan seiring dengan perubahan suhu papan. Laminat frekuensi tinggi tidak memiliki nilai Dk yang bervariasi se luas itu, tetap cukup konstan di seluruh area papan seiring dengan perubahan suhu.

 

Manajemen Suhu:

Performa suhu adalah faktor lain yang perlu dipertimbangkan saat memilih antara papan FR4 atau laminat frekuensi tinggi untuk dasar PCB. Saat membandingkan performa suhu, koefisien termal konstanta dielektrik memberikan indikasi yang cukup baik. Angka ini mengukur seberapa banyak konstanta dielektrik suatu bahan berubah dengan suhu:

 

• Untuk FR4, nilai ini sekitar 200 bagian per miliar per perubahan suhu satu derajat Celsius
• Laminat frekuensi tinggi memiliki koefisien termal konstanta dielektrik sekitar 40 bagian per miliar per derajat Celsius.

 

Meski keduanya mungkin terlihat seperti angka kecil, mereka menawarkan hasil yang sangat berbeda. Koefisien signifikan FR4 berarti Dk papan FR4 dapat bervariasi secara besar di seluruh area. Bandingannya, koefisien yang lebih rendah untuk laminat frekuensi tinggi menunjukkan variasi suhu yang lebih sedikit di seluruh area papan. Ini sangat penting untuk dipertimbangkan saat merancang papan yang dimaksudkan untuk lingkungan yang lebih panas.

Konstanta Dielektrik: Pilih Nilai Dk yang Tepat

Kadang-kadang konstanta dielektrik papan sirkuit dapat sama pentingnya dengan fitur lain dari papan. Konstanta dielektrik papan sirkuit mempengaruhi ukuran garis transmisi sirkuit, terutama dalam sirkuit frekuensi tinggi seperti desain RF atau mikrogelombang. Semakin kecil garis transmisi dapat dibuat, semakin kecil sirkuit itu sendiri.

Oleh karena itu, jika ukuran papan sirkuit yang lebih kecil diinginkan, bahan papan dengan nilai Dk yang lebih tinggi adalah pilihan terbaik. FR4 memiliki konstanta dielektrik sekitar 4,5, yang lebih rendah dari Dk bahan frekuensi tinggi, yang biasanya berada sekitar 6,15 hingga 11. Penggunaan bahan nilai Dk tinggi ini dapat memiliki hasil signifikan, mengurangi ukuran papan sirkuit akhir sebesar 25 persen atau lebih.

Lingkungan Operasional:

Lingkungan operasional untuk sirkuit adalah hal lain yang harus diingat saat memilih antara papan FR4 dan laminat frekuensi tinggi. Ini mencakup kondisi lingkungan, seperti kelembaban dan suhu. Dalam kedua kasus, laminat frekuensi tinggi memberikan resistensi kelembaban dan panas yang lebih besar daripada FR4, berarti lingkungan operasional akan memiliki dampak yang jauh lebih kecil pada fungsi sirkuit. Ini adalah pertimbangan kritis jika PCB akan beroperasi di lingkungan luar atau industri ekstrem.

Singkatnya, laminat frekuensi tinggi memiliki berbagai karakteristik fisik, banyak di antaranya lebih unggul daripada FR4. Kelemahan tunggal laminat frekuensi tinggi dibandingkan FR4 adalah biaya yang relatif lebih tinggi, yang merupakan faktor signifikan bagi perancang yang berfokus pada biaya. Keputusan besar, lalu, adalah kapan keuntungan melebihi biaya laminat frekuensi tinggi.

 

Memilih: FR4 versus Laminat Frekuensi Tinggi

Jadi, menggunakan semua informasi yang tercantum di atas, bagaimana seorang insinyur listrik atau perancang PCB dapat memilih antara FR4 dan laminat frekuensi tinggi? Pertama, perancang harus mencantumkan dan membandingkan persyaratan listrik dan mekanis untuk PCB akhir, menggunakan parameter yang càng spesifik càng baik. Perancang kemudian harus memeriksa seberapa baik FR4 akan memenuhi parameter ini dibandingkan dengan laminat yang dirancang untuk menangani sinyal frekuensi tinggi. Data yang lebih tepat untuk setiap poin di atas dengan mudah tersedia menggunakan lembar data industri.

Singkatnya, FR4 adalah bahan yang luas relevansi, populer terutama karena biaya rendahnya dan stabilitas mekanis dan listrik relatif. Meskipun bahan FR4 memiliki manfaat yang luas dan tersedia dalam berbagai ketebalan dan ukuran, ini bukan pilihan terbaik untuk setiap aplikasi, terutama aplikasi frekuensi tinggi seperti desain RF dan mikrogelombang. Dalam kasus terakhir ini, laminat frekuensi tinggi adalah pilihan yang lebih baik. Masih, mudah untuk melihat mengapa FR4 masih dalam penggunaan yang sangat umum sampai hari ini.

 

Hubungi Millennium Circuits Limited untuk Mengetahui Apa yang Sesuai dengan Kebutuhan Anda

Jika Anda mencari papan sirkuit tercetak FR4 atau papan bahan lain, Millennium Circuits Limited dapat membantu. MCL menyediakan papan dan sirkuit berkualitas tinggi dalam setiap kuantitas sambil mempertahankan kualitas ekstrim dan pengiriman tepat waktu. Sejak 2005, bisnis kami di Harrisburg, PA, bangga menyediakan layanan berkualitas tinggi yang mematuhi standar internasional tertinggi. Kami bahkan menawarkan dukungan rekayasa dan jadwal harga yang kompetitif.

 

Lihat mengapa MCL mencapai 98 persen persetujuan dalam kualitas dan 99 persen persetujuan dalam kinerja pengiriman. Hubungi kami hari ini untuk penawaran cepat dan tanpa kewajiban untuk mempelajari bagaimana MCL dapat membantu Anda.

 

Request a Free Quote