O FR4 é o Melhor Material de Placa para o Seu Design?

No mundo da eletrônica e da fabricação de placas de circuito impresso, escolher o material de substrato certo para o seu projeto pode significar a diferença entre sucesso e fracasso. O substrato FR4, com sua excelente resistência mecânica, isolamento elétrico e resistência a calor e produtos químicos, é amplamente utilizado na indústria. Neste artigo, exploraremos as propriedades e vantagens do substrato FR4, seu uso em placas de circuito impresso, bem como algumas limitações e dicas para selecionar o material FR4 adequado.

O que é o material de substrato FR4?

O substrato FR4 significa "retardante de chama 4", indicando que é fabricado para resistir à propagação de chamas e cumprir determinados padrões de segurança contra incêndio. Dispositivos retardantes de chama FR4 são usados quando a segurança contra incêndio é uma preocupação, como em eletrônica ou sistemas elétricos, e a retardância de chama atua como uma proteção adicional onde há risco de acidentes por fogo. É um tipo de substrato utilizado na fabricação de componentes elétricos e é amplamente empregado na produção de placas de circuito impresso. Esse substrato tem fibra de vidro como um de seus componentes, o que proporciona resistência mecânica, juntamente com resina epóxi. A combinação desses dois materiais atua como uma matriz isolante. Substratos FR4 oferecem excelente isolamento elétrico, resistência mecânica e proteção para os componentes elétricos na placa. São resistentes ao calor e a produtos químicos, o que os torna adequados para diversas aplicações. Os substratos FR4 são mais conhecidos por sua durabilidade e resistência mecânica, que conferem à placa estabilidade dimensional e resistência a produtos químicos e à umidade. São amplamente utilizados por seu alto desempenho e relação custo-benefício. Eles fornecem excelente isolamento elétrico, o que reduz os riscos de curtos-circuitos e aumenta a transmissão confiável de sinais. Os substratos FR4 conseguem manter sua forma em diferentes condições graças à sua estabilidade dimensional, o que é parte essencial para a montagem adequada de componentes elétricos nas placas de circuito impresso. Se você quer ter seu próprio substrato FR4, pode adquiri-lo no site da JLCPCB, os pesquisadores do laboratório da JLCPCB trabalham de forma eficiente e entregam seus produtos de melhor qualidade em 2–4 dias úteis.

(Créditos da imagem: Jichangsheng Technology)

Quais são as propriedades do substrato FR4?

São as propriedades de um substrato FR4 que o tornam tão útil e tão singular. Entre todas as propriedades, discutiremos algumas delas:

BOAS PROPRIEDADES DIELÉTRICAS: Os substratos FR4 oferecem alta resistência ao fluxo de corrente elétrica; devido a essa alta resistência, perdas de sinal e interferências entre as trilhas do circuito são minimizadas.

RESISTÊNCIA À TEMPERATURA: O FR4 pode suportar temperaturas relativamente altas, comumente de até 130 a 140 graus; essa propriedade permite o uso de substratos FR4 em dispositivos onde há temperaturas de operação elevadas.

RESISTÊNCIA QUÍMICA: Os substratos FR4 exibem boa resistência a muitos produtos químicos, incluindo diversos ácidos que são comumente encontrados pelo substrato durante os processos de fabricação eletrônica. Essa resistência evita que o substrato seja danificado durante tais operações.

RETARDÂNCIA À CHAMA: Uma das principais propriedades do substrato é a sua retardância à chama, que permite suportar a ignição e não contribui para a propagação do fogo em caso de incidente — essa propriedade é crucial para fins de segurança em dispositivos eletrônicos.

RESISTÊNCIA MECÂNICA: A fibra de vidro confere ao substrato FR4 resistência mecânica e estabilidade dimensional; essa propriedade evita que o substrato se deforme durante a montagem das placas de circuito impresso.

ISOLAMENTO ELÉTRICO: Os substratos FR4 fornecem excelente isolamento elétrico, portanto são ideais para dispositivos que exigem isolamento entre elementos condutores.

USINABILIDADE: Os substratos FR4 possuem boa usinabilidade, o que significa que são facilmente processados; esses substratos podem ser furados, usinados e gravados para criar projetos complexos de PCB.

COMPATIBILIDADE: Esses substratos são em sua maioria compatíveis com processos comuns de fabricação de PCB, como furação, soldagem, metalização e posterior colocação de componentes elétricos na placa; é devido a essa propriedade dos substratos FR4 que eles podem ser facilmente usinados.

ESTABILIDADE DIMENSIONAL:O FR4 apresenta variações dimensionais mínimas durante condições climáticas extremas, como alta umidade ou variações de temperatura; essa estabilidade garante que o substrato se mantenha estável e confiável para uso em diversos dispositivos.

DISPONIBILIDADE: Os substratos FR4 são facilmente encontrados no mercado e também podem ser adquiridos online; um dos sites de confiança é JLCPCB, que permite obter o produto desejado com entrega segura diretamente na sua casa; essa característica facilita para os projetistas selecionar e trabalhar com o substrato FR4 de sua preferência.

CONDUTIVIDADE TÉRMICA:A condutividade térmica é a propriedade dos substratos FR4 que lhes permite dissipar o calor dos componentes elétricos tanto quanto possível.

AMIGO DO MEIO AMBIENTE: Devido à sua retardância à chama e durabilidade, os substratos FR4 são geralmente considerados ambientalmente amigáveis.

Como o FR-4 é usado em PCBs?

Existem alguns passos sobre como fabricar uma PCB em FR4 que discutiremos. Como visão geral de como os substratos FR4 são utilizados em PCBs: os fabricantes usam o material substrato FR4 como base para fornecer uma plataforma robusta para montar componentes elétricos na placa; trilhas de cobre, que também são adicionadas às folhas de FR4 para aumentar a condutividade elétrica, são aplicadas; as folhas atuam como camada isolante entre as trilhas de cobre, o que garante a transmissão adequada dos sinais. Agora vamos discutir o procedimento em alguns passos.

ETAPA 1 PROCEDIMENTO DE PROJETO:

O procedimento de projeto envolve desenhar o padrão do circuito da placa de circuito impresso (PCB) por meio de software especializado, no qual são especificados o posicionamento dos diferentes componentes elétricos e todo o projeto necessário é realizado nesta etapa.

ETAPA 2 PREPARAÇÃO DOS MATERIAIS:

A Etapa 2 envolve a preparação dos materiais antes da fabricação da placa: folhas de FR4 são selecionadas com base na espessura desejada e em outras especificações.

ETAPA 3 MATERIAL DO SUBSTRATO:

As chapas de substrato FR4 são preparadas. São tratadas para aumentar a aderência e limpas; para melhorar a qualidade das chapas FR4 podem ser realizados diversos processos.

ETAPA 4 COBRE:

Cobre é adicionado às chapas FR4 para criar caminhos condutores, ou seja, permitir a distribuição de energia e sinais elétricos no circuito.

PASSO 5 TRANSFERÊNCIA:

Após adicionar cobre às folhas de FR4, vem a transferência do design da PCB; esse processo utiliza um método fotográfico envolvendo luz ultravioleta.

ETAPA 6 GRAVAÇÃO:

O cobre indesejado é removido da placa e o cobre desejado permanece intacto.

ETAPA 7 USINAGEM:

Furos são perfurados no FR4 para interligar várias camadas da PCB. Os furos são revestidos com uma fina camada de cobre para condutividade elétrica e soldabilidadeSoldermask é aplicado sobre as trilhas de cobre onde for necessário para proteger as trilhas da oxidação e melhorar o isolamento.

PASSO 8 ACABAMENTO SUPERFICIAL:

Para auxiliar na soldagem e evitar a oxidação, a PCB é tratada com um acabamento superficial.

PASSO 9 ADICIONAR MARCAÇÕES:

Marcação como o logotipo ou qualquer outra marcação importante é impressa na PCB. As marcações são comumente chamadas de serigrafia.

PASSO 10 TESTES:

A placa de circuito impresso fabricada passa por vários testes para garantir seu funcionamento, qualidade e funcionalidade.

Isto conclui a fabricação das placas. Um ponto a lembrar é que procedimentos diferentes podem ser realizados por fabricantes diferentes para placas de circuito impresso distintas; essas etapas não serão as mesmas na fabricação de todas as placas de circuito impresso.

Quando o FR4 Não é o Melhor Material Para Sua Placa?

Pode surgir a pergunta: quando o substrato FR4 não é adequado para o meu dispositivo ou quando não é a melhor escolha para minhas placas? Pelo que discutimos até agora, só vimos suas vantagens — quais são suas limitações? Aqui estão alguns motivos pelos quais o substrato FR4 pode não ser o ideal para você.

AMBIENTES ADVERSOS: Sim, os substratos FR4 são resistentes a produtos químicos e a temperaturas extremas, mas quando os limites superam as capacidades do seu substrato — por exemplo, se for exposto a agentes químicos corrosivos — ele deixará de atender às suas necessidades e você terá de procurar uma alternativa ao substrato FR4.

ALTAS FREQUÊNCIAS: o substrato FR4 não funcionará quando seu dispositivo exigir sinais de altíssima velocidade ou frequências de micro-ondas; nessa faixa, opções de substrato como os à base de cerâmica seriam melhores do que o FR4.

ALTAS TEMPERATURAS: Os substratos FR4 oferecem resistência limitada à temperatura, portanto, se o seu dispositivo precisa operar em um ambiente muito quente, eles não são adequados, pois não conseguirão desempenhar-se em temperaturas extremamente elevadas.

DESIGN MAIS FINOS: Este substrato não será adequado para projetos muito finos ou muito pequenos; alternativas como uma placa de circuito impresso flexível podem funcionar.

Estas são algumas das razões pelas quais o substrato FR4 pode não ser o melhor para a sua placa. Elas também variam conforme o projetista de PCB, bem como diferentes requisitos e especificações variadas que podem impor limitações e fazer com que o substrato FR4 não seja vantajoso para você.

Dicas para selecionar o material FR4 adequado

Aqui estão algumas dicas que o ajudarão a escolher o substrato FR4 correto.

ESPESSURA: A espessura das chapas de FR4 determina se você quer mais resistência mecânica para sua placa, possível com chapas mais grossas, ou um design mais compacto, possível com o uso de chapas de FR4 mais finas.

TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO VIDREIRA: A temperatura de transição vítrea é uma propriedade muito importante de um substrato FR4. É a temperatura na qual o material do substrato passa de um estado rígido para um estado flexível. Você deve escolher um substrato com temperatura de transição vítrea alta o suficiente para evitar problemas de desempenho ou outros problemas.

PESO DO COBRE: Variações no peso do cobre significam diferentes capacidades de condução de corrente para seu projeto. Peso de cobre mais pesado (mais espesso) é usado para melhor condutividade, mas cobre mais pesado também torna o substrato mais caro e aumenta os desafios de fabricação. Peso de cobre mais leve proporciona menor condutividade, mas o substrato fica mais barato.

RETARDÂNCIA À CHAMA: Fique atento àqueles substratos FR4 que atendem aos padrões do setor para cumprir normas e regulamentos de segurança.

CUSTO: O custo pode variar dependendo das diferentes especificações do substrato; procure substratos mais baratos se seu trabalho não for profissional e opte por os mais caros quando seu trabalho for profissional.

SUPORTE DO FORNECEDOR: Certifique-se de estar em contato direto com o fornecedor que lhe forneceu o substrato, pois ele conhece melhor a compatibilidade do substrato com o projeto da sua placa de circuito impresso.

Em resumo, o substrato FR4 é uma excelente escolha para os seus projetos de placas de circuito impresso, oferecendo desempenho confiável e custo-benefício. Suas propriedades — como boa resistência dielétrica e química, retardância à chama, resistência mecânica e estabilidade dimensional — fazem dele um material indispensável na indústria. No entanto, é importante considerar suas limitações em ambientes quimicamente agressivos, altas temperaturas e projetos muito finos ao selecionar o material adequado. Seguindo algumas dicas úteis, como avaliar espessura, temperatura de transição vítrea, gramatura de cobre, retardância à chama, custo e suporte do fornecedor, é possível aproveitar ao máximo o substrato FR4 e alcançar fabricação de PCBs de alta qualidade.

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