O FR-4 é o material mais comum usado para placas de circuito impresso, composto por fibra de vidro e resina epóxi. É forte, leve e oferece bom isolamento, tornando-o mais adequado para muitos eletrônicos. Este artigo explica a estrutura, propriedades, graus, limitações e fatores de projeto do FR-4, fornecendo informações detalhadas sobre quando e como ele deve ser usado.
Visão geral do FR-4
FR-4 é o material mais comum usado para fazer placas de circuito impresso (PCBs). É feito de fibra de vidro e resina epóxi, o que o torna forte e bom em isolar eletricidade. O FR significa retardador de chamas, o que significa que pode resistir à queima, mas isso nem sempre significa que atende ao rigoroso padrão de segurança contra incêndio UL 94 V-0.
Este material é popular porque é leve, durável e acessível. Ele também faz um bom trabalho resistindo à umidade e ao calor, o que ajuda os circuitos eletrônicos a permanecerem estáveis. Outra razão pela qual o FR-4 é usado é que ele pode ser facilmente moldado em placas de camada única ou multicamadas sem adicionar muito custo.
Estrutura laminada FR-4
Esta imagem mostra a estrutura em camadas de um laminado FR-4; o material mais comum usado em placas de circuito impresso (PCBs). Na parte superior e inferior, as folhas de folha de cobre formam as camadas condutoras que mais tarde serão gravadas em padrões de circuito. Entre essas folhas de cobre encontra-se o núcleo: tecido de vidro impregnado com resina epóxi. A trama de vidro fornece resistência mecânica e estabilidade dimensional, enquanto o epóxi liga as fibras e adiciona rigidez. Juntos, eles criam uma base isolante e durável. A combinação de folha de cobre, fibra de vidro e epóxi torna o FR-4 forte, resistente a chamas e ideal para apoiar e proteger traços de PCB.
Propriedades elétricas do FR-4
| Parâmetro | Gama FR-4 |
|---|---|
| Constante Dielétrica (Dk) | 3.8 – 4.8 |
| Fator de Dissipação (Df) | \~0,018 – 0,022 |
| Rigidez dielétrica | >50 kV/mm |
| Estabilidade | Varia com a frequência e trama de vidro |
Propriedades térmicas do FR-4
| Propriedade | Padrão FR-4 | FR-4 de alta qualidade |
|---|---|---|
| Temperatura de Transição Vítrea (Tg) | 130–150 °C | ≥180 °C |
| Temperatura de decomposição (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Tempo de delaminação (T260 / T288) | Menor resistência | Maior resistência |
Opções de espessura e empilhamento do FR-4
| Espessura / Tipo | Vantagens | Limitações | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fino (<0,5 mm) | Leve, compacto e flexível | Frágil, mais difícil de manusear durante a montagem | Padrão (1,6 mm) | Padrão da indústria, amplamente disponível, econômico | Pode limitar designs ultracompactos ou de alta densidade | Grosso (>2 mm) | Proporciona rigidez e melhor resistência à vibração | Aumenta o peso e o custo total |
| Empilhamentos Multicamadas Personalizados | Permite o controle de impedância, suporta sinais de alta velocidade e melhora a blindagem EMI | Requer processos de fabricação precisos, mais caros |
Usando FR-4 para design de PCB
• Eletrônicos de consumo - Fornece um material de base estável que pode lidar com o uso diário e as necessidades básicas de energia.
• Controles e Automação Industrial - O FR-4 oferece desempenho estável em sistemas que precisam de durabilidade e função consistente ao longo do tempo.
• Fontes de alimentação e conversores - Para circuitos que funcionam abaixo de frequências muito altas, o FR-4 oferece isolamento e desempenho que atendem aos requisitos.
• Projetos sensíveis ao custo - Quando os orçamentos são importantes, o FR-4 permite que você mantenha os custos de produção mais baixos sem abrir mão da confiabilidade.
Limites do FR-4 e melhores alternativas
Quando o FR-4 não é adequado
• Circuitos de alta frequência - Acima de cerca de 6 a 10 GHz, o FR-4 causa maior perda de sinal, o que o torna inadequado para projetos avançados de RF ou micro-ondas.
• Taxas de dados ultra-altas - Para velocidades como PCIe Gen 5 e superior (25+ Gbps), o FR-4 adiciona muito atraso e perda de inserção, reduzindo a integridade do sinal.
• Condições de alta temperatura - O FR-4 padrão começa a se decompor mais rapidamente quando exposto a temperaturas superiores a cerca de 150 °C, tornando-o pouco confiável para uso a longo prazo em tais ambientes.
Alternativas ao FR-4
| Material | Caso de uso |
|---|---|
| Laminados Rogers | Projetos de RF e micro-ondas que precisam de baixa perda de sinal |
| Compósitos de PTFE | Perda dielétrica ultrabaixa para circuitos de precisão e alta frequência |
| Poliimida | Resistência a altas temperaturas em ambientes adversos |
| Cerâmica | Desempenho e durabilidade extremos sob estresse |
Graus e usos do FR-4
Padrão FR-4
O FR-4 padrão tem uma temperatura de transição vítrea (Tg) de cerca de 130–150 °C. É o grau mais comum, usado em eletrônicos, equipamentos de escritório e sistemas de controle industrial padrão.
Alta Tg FR-4
O FR-4 de alta Tg oferece uma Tg de 170–180 °C ou superior. Este grau é necessário para processos de soldagem sem chumbo e é usado em eletrônicos automotivos, placas aeroespaciais e outros projetos que precisam de maior estabilidade térmica.
Alto CTI FR-4
O FR-4 de alto CTI fornece um índice de rastreamento comparativo (CTI) de 600 ou superior. É escolhido para fontes de alimentação, conversores e circuitos de alta tensão onde são necessárias distâncias seguras de fuga e folga.
FR-4 sem halogênio
O FR-4 sem halogênio tem propriedades semelhantes aos tipos padrão ou de alta Tg, mas evita retardadores de chama à base de halogênio. É usado em projetos ecológicos que devem estar em conformidade com os padrões ambientais RoHS e REACH.
Problemas de integridade do sinal no FR-4
Problema
O FR-4 usa um tecido de vidro para maior resistência, mas essa trama não é perfeitamente uniforme. Ao rotear pares diferenciais, um traço pode passar principalmente sobre os feixes de vidro, que têm uma constante dielétrica mais alta, enquanto o outro traço passa sobre a resina, que tem uma constante dielétrica mais baixa. Essa exposição desigual faz com que os sinais viajem em velocidades ligeiramente diferentes, criando o que é chamado de inclinação de trama de fibra.
Impacto
A diferença de velocidade entre os dois sinais leva a incompatibilidades de tempo. Em altas taxas de dados, essa incompatibilidade aparece como distorção diferencial, jitter adicionado e até mesmo fechamento de diagrama de olho. Esses efeitos podem reduzir a integridade do sinal e limitar o desempenho dos canais de comunicação de alta velocidade.
Soluções
O roteamento de pares diferenciais em um ângulo de 10 a 15° em relação à trama ajuda a evitar que os traços se alinhem diretamente com os feixes de vidro. A escolha de tecidos de vidro espalhado, como os estilos 3313, torna as propriedades dielétricas mais uniformes em toda a linha. Pares diferenciais escalonados garantem que ambos os traços encontrem uma mistura de materiais semelhante. A distorção orçamentária em simulações de tempo permite prever e contabilizar esses efeitos antes da fabricação.
Riscos de umidade e confiabilidade no FR-4
Efeitos da umidade
• Redução de Tg durante o refluxo - A umidade absorvida reduz a temperatura de transição vítrea, o que torna o material menos estável durante a soldagem e pode levar à delaminação.
• Degradação dielétrica - Em altas frequências, a umidade aumenta a perda dielétrica, o que reduz a qualidade do sinal em projetos de velocidade de GHz.
• Filamentação Anódica Condutiva (CAF) - Um dos riscos mais sérios, o CAF ocorre quando os íons de cobre migram através do epóxi sob polarização elétrica, formando caminhos condutores ocultos que podem causar curtos entre traços ou vias.
Reduzindo problemas de umidade
• Armazene as tábuas secas e seladas para impedir a entrada de umidade.
• Asse as tábuas antes de usar se elas tiverem sido expostas à umidade.
• Escolha o FR-4 resistente a CAF para projetos de alta densidade ou alta tensão.
• Siga as regras de espaçamento do IPC para reduzir o risco de curtos.
Fatores a verificar antes de comprar FR-4
• Especifique o grau do laminado e a folha de barra IPC-4101 para evitar confusão.
• Inclua valores de constante dielétrica (Dk) e fator de dissipação (Df) específicos da frequência para a banda operacional pretendida.
• Confirme os requisitos térmicos com Tg ≥ 170 °C e Td > 300 °C para soldagem sem chumbo e estabilidade térmica a longo prazo.
• Chame a rugosidade da folha de cobre para camadas de alta velocidade para minimizar a perda de inserção.
• Observe a classificação do índice de rastreamento comparativo (CTI) ao projetar para caminhos de alta tensão.
• Selecione laminado resistente a CAF para campos densos ou aplicações de alta tensão.
• Adicione instruções de manuseio ou armazenamento para controlar a umidade e evitar a delaminação.
• Solicite tecido de vidro espalhado para pares diferenciais para reduzir a inclinação da trama de fibra.
Conclusão
O FR-4 oferece resistência, isolamento e eficiência de custos, e é por isso que continua sendo o material padrão de PCB. Ainda assim, tem limites em condições de alta frequência, alta velocidade ou alta temperatura. Conhecendo seus fatores elétricos, térmicos e de confiabilidade e escolhendo o grau certo, você pode garantir um desempenho estável ou mudar para alternativas melhores quando os projetos exigirem.
Perguntas Frequentes [FAQ]
O que é IPC-4101 em FR-4?
É um padrão que define as propriedades do laminado FR-4, como Tg, Dk e absorção de umidade.
Como o FR-4 é diferente dos PCBs com núcleo de metal?
O FR-4 é para PCBs gerais, enquanto os PCBs com núcleo de metal usam alumínio ou cobre para melhor dissipação de calor.
O FR-4 pode ser usado em PCBs flexíveis?
Não, o FR-4 é rígido. Só pode fazer parte de projetos rígidos flexíveis com camadas de poliimida.
Qual é a absorção de umidade do FR-4?
Cerca de 0,10–0,20%, o que pode diminuir a estabilidade se não for cozido ou armazenado adequadamente.
O FR-4 é bom para circuitos de alta tensão?
Sim, graus de CTI alto (CTI ≥ 600) são usados em fontes de alimentação e conversores.
Por que a rugosidade da folha de cobre é importante no FR-4?
Folhas ásperas aumentam a perda de sinal; Folhas lisas melhoram o desempenho em alta velocidade.