Diretrizes de Design para PCB Utilizando Substratos FR4

Preocupações com o substrato material são necessárias ao projetar placas de circuito impresso. Isso se deve ao fato de que placas de circuito impresso não podem ser fabricadas sem os materiais de PCB apropriados. Ao desenvolver e produzir placas de circuito, o material do substrato deve ser considerado tanto quanto as camadas de cobre, silkscreen e acabamento de superfície. De modo geral, materiais não condutores como porcelana, Marlon, FR4 e similares devem ser usados para substratos de PCB. Dependendo da aplicação pretendida, o material pode ser selecionado. Se certos parâmetros relacionados ao núcleo e ao material não forem escolhidos corretamente, o circuito pode apresentar comportamento inesperado. Neste artigo, aprenderemos para quais aplicações o FR4 é apropriado. Isso o informará sobre certas recomendações de design de PCB em FR4.

O que é FR4?

Flame Retardant 4 ou FR4, é uma designação de grau para um tipo de material usado na produção de PCBs. É composto principalmente por fibra de vidro tecida e selada com resina epóxi. Oferece excelente isolamento elétrico e resistência mecânica. O "4" em FR4 o diferencia de variedades anteriores de materiais retardantes de chama. Por isso, é hoje o material mais amplamente utilizado devido às suas propriedades superiores. O FR4 foi criado em meados do século XX, com o desenvolvimento de materiais reforçados com fibra e resinas sintéticas.

Como mencionado anteriormente, a designação "FR" indica que o material é retardante de chama, sendo portanto apropriado para diversas aplicações exigentes. O material apresenta constante dielétrica (Dk) entre 4,2 e 4,8, dependendo da frequência. O fator de dissipação (Df) é de cerca de 0,02 a 1 MHz, o que o torna adequado para projetos eletrônicos de uso geral.

Classificação e Propriedades do FR4:

As placas FR4 são categorizadas na indústria de PCB por espessura, origem do material, propriedades elétricas e características térmicas. O FR4 tem espessura normal de 1,6 mm, mas há variações de 0,5 mm e 2,36 mm. A espessura de cobre varia normalmente de 18 µm a 140 µm, conforme as especificações de design.

A temperatura de transição vítrea (Tg), que controla o comportamento do material sob calor, é uma das propriedades térmicas mais importantes na classificação do FR4. O FR4 está disponível em três faixas de temperatura:

• Tg baixa (130–140°C)
• Tg padrão (150–160°C)
• Tg alta (>170°C)

Materiais com Tg alta são recomendados devido à sua melhor resistência ao calor e à umidade. O FR4 começa a se decompor em temperaturas acima de 180°C. Além disso, o FR4 apresenta baixo coeficiente de expansão térmica (CTE), o que o torna perfeito para situações onde o calor é uma preocupação.

7 Diretrizes de Design para Uso do FR4 em Projetos de PCB

1)  Planejamento de Camadas e Stackup

Um stackup de camadas bem estruturado melhora tanto a integridade do sinal quanto o gerenciamento térmico. É muito comum que, devido a um stackup incorreto na PCB, enfrentemos problemas relacionados a reflexos de sinal. Discutimos o stackup HDI; para melhor integridade de sinal e menor EMI, veja o artigo detalhado aqui. Alguns stackups comuns incluem:

• PCBs de 2 camadas para designs simples.
• Stackups de 4 a 8 camadas para circuitos de alta densidade mais complexos.

2)  Largura de Trilha e Controle de Impedância

Para designs com impedância controlada, calcule as larguras das trilhas com base nas propriedades dielétricas do FR4. Geralmente, precisamos corresponder a impedância da trilha com a porta de entrada e saída; caso contrário, haverá reflexão de sinal causando problemas de EMI. Calculadoras online padrão ou softwares de design de PCB podem ajudar; também temos uma calculadora de impedância da JLCPCB para isso. Para saber mais sobre controle de impedância em PCBs, veja nosso artigo recente sobre o tema. Por exemplo: configurações de microstrip e stripline devem ser cuidadosamente projetadas com base no stackup para manter a qualidade consistente do sinal.

3) Considerações Térmicas

Embora o FR4 não seja termicamente condutivo, algumas boas estratégias podem ser usadas para torná-lo mais condutor de calor. Por exemplo, podemos usar vias térmicas, áreas de cobre e dissipadores de calor para remover o calor local. Para componentes com alta dissipação térmica, podemos considerar o uso de PCBs com núcleo metálico (MCPCBs). O FR4 é mais indicado para circuitos de eletrônica de potência, se você estiver usando dissipador de calor onboard para dissipar o calor; ainda assim, há outros métodos, conforme compartilhado acima, que podem ser implementados para reduzir os efeitos térmicos. Melhorar os aspectos térmicos de uma PCB garante sua longa vida útil e durabilidade.

4) Design de Vias e Razão de Aspecto

A razão de aspecto (espessura da placa em relação ao diâmetro do furo) deve ser mantida entre 8:1 e 10:1 para confiabilidade no plaqueamento dos vias. Use via stitching para planos de terra e vias térmicos sob componentes de alta dissipação para melhorar a dissipação de calor. Evite stubs desnecessários em vias em designs de alta velocidade, usando backdrilling se necessário. Cobrimos artigos recentes sobre posicionamento de vias térmicos e tipos de vias em design de PCB, veja aqui. [link]

5) Espaçamentos e Afastamentos

O afastamento é muito importante ao projetar para aplicações de alta velocidade ou alta frequência. Este é basicamente o espaço pelo qual os dados eletromagnéticos fluem. Qualquer retardo no fluxo das ondas EM causa diretamente problemas como crosstalk. Siga as diretrizes da IPC-2221 para espaçamentos:

• Trilha para Trilha: ≥ 0,15 mm (6 mil) para fabricação padrão.
• Pad para Pad: Com base na pegada do componente e no processo de montagem.
• Afastamento de Borda: Deixe mais de 0,3 mm de espaço para rotas próximas às bordas da PCB.

Para circuitos de alta tensão, podemos aumentar ainda mais o afastamento, de acordo com as normas de segurança aplicáveis.

6) Posicionamento e Roteamento

Podemos agrupar componentes logicamente para minimizar o comprimento das trilhas e evitar cruzamentos. Por exemplo: analógico e digital devem ser roteados com pelo menos 4–5 mm de distância. Outros métodos incluem posicionar os capacitores de desacoplamento próximos aos pinos de alimentação dos ICs e manter os pares diferenciais fortemente acoplados. Correspondendo os comprimentos das trilhas dos pares diferenciais. E usando áreas de terra e trilhas de guarda para circuitos digitais de alta velocidade para reduzir o acoplamento de ruído.

7) Considerações de Integridade de Sinal

Embora o FR4 suporte designs digitais de alta velocidade até certo ponto, após isso, devido à sua tangente de perda, a atenuação do sinal aumenta ao entrar em alguns GHz. Embora possamos seguir algumas regras, como: para caminhos críticos de sinal, manter as trilhas curtas e usar impedância correspondente. Para frequências acima de 3–4 GHz, basta mudar para algum outro material de baixa perda, como Rogers e PTFE.

Conclusão

Projetar PCBs com substratos FR4 oferece um equilíbrio entre desempenho e custo. Para resumir o que temos com o FR4:

• Constante Dielétrica (Dk): É alta, cerca de 4,2 a 4,8 (varia com a frequência)
• Tangente de Perda (Df): É média, mas depende da frequência: 0,02 a 1 MHz
• Condutividade Térmica: Cerca de 0,3 W/mK (ruim para dissipação térmica)

O material FR4 é popular para fabricação e montagem de PCBs. O FR4 possui diversos atributos abrangendo uma ampla faixa de temperaturas e frequências. Para aplicações padrão, o baixo custo dos materiais FR4 também funciona como um atrativo.