FR4-Leiterplatten-Designrichtlinien: Bewährte Verfahren und wichtige Überlegungen | JLCPCB

Bei der Entwicklung elektrischer Leiterplatten sind Überlegungen zum Substratmaterial unerlässlich. Der Grund dafür ist, dass Leiterplatten ohne geeignete PCB-Materialien nicht hergestellt werden können. Bei der Entwicklung und Produktion von Leiterplatten muss das Substratmaterial ebenso berücksichtigt werden wie die Kupferschichten, der Bestückungsdruck (Silkscreen) und die Oberflächenveredelung. Allgemein gesprochen müssen für PCB-Substrate nichtleitende Materialien wie Porzellan, Marlon, FR4 und ähnliche verwendet werden. Je nach Einsatzzweck kann das Material ausgewählt werden. Werden bestimmte kern- und materialbezogene Parameter nicht korrekt gewählt, kann die Schaltung ein unerwartetes Verhalten zeigen. In diesem Artikel werden wir heute lernen, für welche Anwendungen FR4 geeignet ist. Dies wird Ihnen einige Empfehlungen für das FR4-PCB-Design vermitteln.

Was ist FR4?

Flame Retardant 4 oder FR4 ist eine Klassifizierungsbezeichnung für eine Art von Material, das bei der Herstellung von Leiterplatten verwendet wird. Es besteht hauptsächlich aus Glasfasergewebe, das mit Epoxidharz getränkt und versiegelt ist. Es bietet eine ausgezeichnete elektrische Isolierung und mechanische Festigkeit. Die „4“ in FR4 unterscheidet es von früheren Varianten flammhemmender Materialien. Deshalb ist es heute aufgrund seiner überlegenen Eigenschaften das am weitesten verbreitete Material. FR4 entstand Mitte des 20. Jahrhunderts, als faserverstärkte Materialien und synthetische Harze entwickelt wurden.

Wie bereits erwähnt, zeigt die Bezeichnung „FR“, dass das Material flammhemmend ist und sich daher für viele anspruchsvolle Anwendungen eignet. Das Material hat eine Dielektrizitätskonstante (Dk) zwischen 4,2 und 4,8, abhängig von der Frequenz. Der Verlustfaktor (Df) liegt bei etwa 0,02 bei 1 MHz, was es für allgemeine elektronische Designs geeignet macht.

Klassifizierung und Eigenschaften von FR4:

FR4-Leiterplatten werden in der PCB-Industrie nach Dicke, Materialherkunft, elektrischen Eigenschaften und thermischen Merkmalen klassifiziert. FR4 hat eine Standarddicke von 1,6 mm, es gibt jedoch auch Varianten mit 0,5 mm und 2,36 mm. Der übliche Bereich der Kupferdicke liegt zwischen 18 µm und 140 µm, abhängig von den Designanforderungen.

Die Glasübergangstemperatur (Tg), die das Verhalten des Materials unter Hitze bestimmt, ist eine der wichtigsten thermischen Eigenschaften bei der FR4-Klassifizierung. FR4 ist in drei verschiedenen Temperaturbereichen erhältlich:

• Niedrige Tg (130–140 °C)

• Standard-Tg (150–160 °C)

• Hohe Tg (>170 °C)

Aufgrund ihrer besseren Beständigkeit gegen Hitze und Feuchtigkeit werden Materialien mit hoher Tg empfohlen. FR4 beginnt sich bei Temperaturen über 180 °C zu zersetzen. Zusätzlich besitzt FR4 einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), was es ideal für Anwendungen macht, bei denen Wärme eine Rolle spielt.

7 Designrichtlinien für die Verwendung von FR4 in PCB Designs

1)  Stackup-Design und Lagenplanung

Ein gut strukturierter Lagenaufbau verbessert sowohl die Signalintegrität als auch das Wärmemanagement. Sehr häufig treten aufgrund eines falschen Stackups in PCBs Probleme mit Signalreflexionen auf. Wir haben den HDI-Stackup für bessere Signalintegrität und geringere EMI bereits besprochen, siehe den ausführlichen Artikel hier. Einige gängige Stackups sind:
• 2-Lagen-PCBs für einfache Designs.
• 4- bis 8-Lagen-Stackups für komplexere, hochdichte Schaltungen.

2) Leiterbahnbreite und Impedanzkontrolle

Bei Designs mit kontrollierter Impedanz sollten die Leiterbahnbreiten auf Basis der dielektrischen Eigenschaften von FR4 berechnet werden. In der Regel müssen wir die Leiterbahnimpedanz an den Ausgangs- und Eingangsport anpassen, da es sonst zu Signalreflexionen kommt, die EMI-Probleme verursachen. Standard-Online-Rechner oder PCB-Designsoftware können dabei helfen; wir haben dafür auch einen JLCPCB-Impedanzrechner. Um mehr über Impedanzkontrolle in PCBs zu erfahren, lesen Sie unseren aktuellen Artikel zu diesem Thema. Zum Beispiel sollten Mikrostrip- und Stripline-Konfigurationen sorgfältig auf Basis des Stackups ausgelegt werden, um eine gleichbleibende Signalqualität zu gewährleisten.

3) Thermische Überlegungen

Obwohl FR4 keine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, können einige Strategien angewendet werden, um die Wärmeableitung zu verbessern. Zum Beispiel können thermische Vias, Kupferflächen und Kühlkörper eingesetzt werden, um lokale Wärme abzuführen. Für Bauteile mit hoher Wärmeentwicklung kann der Einsatz von Metallkern-PCBs (MCPCBs) in Betracht gezogen werden. FR4 eignet sich gut für Leistungselektronikschaltungen, insbesondere wenn ein Onboard-Kühlkörper zur Wärmeabfuhr verwendet wird. Darüber hinaus gibt es weitere Methoden, wie oben beschrieben, die zur Reduzierung thermischer Effekte eingesetzt werden können. Eine bessere Wärmeableitung einer PCB gewährleistet eine längere Lebensdauer und höhere Zuverlässigkeit.

4) Via-Design und Aspektverhältnis

Das Aspektverhältnis (Verhältnis von Leiterplattendicke zu Bohrlochdurchmesser) sollte für eine zuverlässige Via-Beschichtung innerhalb von 8:1 bis 10:1 gehalten werden. Verwenden Sie Via-Stitching für Masseflächen und thermische Vias unter leistungsstarken Bauteilen zur verbesserten Wärmeableitung. Vermeiden Sie unnötige Via-Stubs in Hochgeschwindigkeitsdesigns, indem Sie bei Bedarf Backdrilling einsetzen. Wir haben in letzter Zeit einige Artikel zur Platzierung thermischer Vias und zu Via-Typen im PCB-Design veröffentlicht, siehe hier. [Link]

5) Abstände und Freiräume

Abstände sind sehr wichtig, insbesondere bei Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenzanwendungen. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um den Raum, durch den sich elektromagnetische Signale ausbreiten. Jede Beeinträchtigung des EM-Wellenflusses kann direkt zu Problemen wie Übersprechen führen. Beachten Sie die IPC-2221-Richtlinien für Abstände:

• Leiterbahn zu Leiterbahn: ≥ 0,15 mm (6 mil) für Standardfertigung.
• Pad zu Pad: Abhängig vom Bauteil-Footprint und vom Bestückungsprozess.
• Randabstand: Mehr als 0,3 mm Platz für das Routen nahe den Leiterplattenkanten einhalten.
  Für Hochspannungsanwendungen kann der Abstand entsprechend den geltenden Sicherheitsstandards weiter erhöht werden.

6) Platzierung und Routing

Bauteile sollten logisch gruppiert werden, um Leiterbahnlängen zu minimieren und Kreuzungen zu vermeiden. Zum Beispiel sollten analoge und digitale Signale mindestens 4–5 mm voneinander entfernt geroutet werden. Weitere Methoden sind das Platzieren von Abblockkondensatoren nahe an den Versorgungspins von ICs und das enge Führen differentieller Paare. Durch das Anpassen der Leiterbahnlängen differentieller Paare sowie den Einsatz von Masseflächen und Guard-Traces für hochschnelle digitale Schaltungen kann die Störeinkopplung reduziert werden.

7) Überlegungen zur Signalintegrität

FR4 unterstützt Hochgeschwindigkeits-Digitaldesigns nur bis zu einem gewissen Punkt. Danach nimmt aufgrund des Verlustfaktors die Signaldämpfung im GHz-Bereich zu. Was man jedoch tun kann, ist, einige Regeln zu befolgen: kritische Signalpfade kurz halten und eine angepasste Impedanz verwenden. Für Frequenzen über 3–4 GHz sollte auf andere verlustarme Materialien wie Rogers oder PTFE gewechselt werden.

Fazit

Das Design von Leiterplatten mit FR4-Substraten bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Kosten. Zusammengefasst bietet FR4:

• Dielektrizitätskonstante (Dk): Relativ hoch, etwa 4,2 bis 4,8 (frequenzabhängig)
• Verlustfaktor (Df): Mittel, abhängig von der Frequenz, etwa 0,02 bei 1 MHz
• Wärmeleitfähigkeit: Etwa 0,3 W/mK (schwach für Wärmeabfuhr)

FR4-Material ist sehr beliebt in der PCB-Fertigung und -Bestückung. FR4 besitzt vielfältige Eigenschaften und deckt einen breiten Bereich an Temperaturen und Frequenzen ab. Für Standardanwendungen wirkt auch der niedrige Preis der FR4-Materialien als zusätzlicher Anreiz.