FR-4 adalah bahan yang paling umum digunakan untuk papan sirkuit tercetak, terdiri dari serat kaca dan resin epoksi. Ini kuat, ringan, dan memberikan isolasi yang baik, sehingga paling cocok untuk banyak elektronik. Artikel ini menjelaskan struktur, sifat, nilai, keterbatasan, dan faktor desain FR-4, memberikan informasi terperinci tentang kapan dan bagaimana FR-4 harus digunakan.
Ikhtisar FR-4
FR-4 adalah bahan yang paling umum digunakan untuk membuat papan sirkuit tercetak (PCB). Itu terbuat dari serat kaca dan resin epoksi, yang membuatnya kuat dan baik dalam mengisolasi listrik. FR berarti tahan api, artinya dapat menahan pembakaran, tetapi ini tidak selalu berarti memenuhi standar keselamatan kebakaran UL 94 V-0 yang ketat.
Bahan ini populer karena ringan, tahan lama, dan terjangkau. Ini juga melakukan pekerjaan yang baik dalam menahan kelembaban dan panas, yang membantu sirkuit elektronik tetap stabil. Alasan lain FR-4 digunakan adalah karena dapat dengan mudah dibentuk menjadi papan satu lapis atau multilayer tanpa menambah banyak biaya.
Struktur Laminasi FR-4
Gambar ini menunjukkan struktur berlapis laminasi FR-4; bahan yang paling umum digunakan dalam papan sirkuit tercetak (PCB). Di bagian atas dan bawah, lembaran foil tembaga membentuk lapisan konduktif yang nantinya akan terukir ke dalam pola sirkuit. Di antara lembaran tembaga ini terletak intinya: kain kaca tenun yang diresapi dengan resin epoksi. Tenunan kaca memberikan kekuatan mekanik dan stabilitas dimensi, sedangkan epoksi mengikat serat dan menambah kekakuan. Bersama-sama, mereka menciptakan alas yang isolasi namun tahan lama. Kombinasi foil tembaga, serat kaca, dan epoksi membuat FR-4 kuat, tahan api, dan ideal untuk mendukung dan melindungi jejak PCB.
Sifat Listrik FR-4
| Parameter | Rentang FR-4 |
|---|---|
| Konstanta Dielektrik (Dk) | 3,8 – 4,8 |
| Faktor Disipasi (Df) | \~0.018 – 0.022 |
| Kekuatan Dielektrik | >50 kV/mm |
| Stabilitas | Bervariasi dengan frekuensi dan tenunan kaca |
Sifat Termal FR-4
| Properti | FR-4 Standar | FR-4 Bermutu Tinggi |
|---|---|---|
| Suhu Transisi Kaca (Tg) | 130–150 °C | ≥180 °C |
| Suhu Dekomposisi (Td) | >300 °C | >300 °C |
| Waktu Delaminasi (T260 / T288) | Resistansi lebih rendah | Resistansi lebih tinggi |
Opsi Ketebalan dan Tumpukan FR-4
| Ketebalan / Jenis | Keuntungan | Batasan | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tipis (<0,5 mm) | Ringan, kompak, dan dapat dibuat fleksibel | Rapuh, lebih sulit ditangani selama perakitan | Standar (1,6 mm) | Default industri, tersedia secara luas, hemat biaya | Dapat membatasi desain ultra-kompak atau kepadatan tinggi | Tebal (>2 mm) | Memberikan kekakuan dan ketahanan yang lebih baik terhadap getaran | Meningkatkan berat dan biaya keseluruhan |
| Penumpukan Multilayer Kustom | Memungkinkan kontrol impedansi, mendukung sinyal berkecepatan tinggi, dan meningkatkan pelindung EMI | Membutuhkan proses fabrikasi yang tepat, lebih mahal |
Menggunakan FR-4 untuk Desain PCB
• Elektronik Konsumen - Ini menyediakan bahan dasar yang stabil yang dapat menangani penggunaan sehari-hari dan kebutuhan daya dasar.
• Kontrol dan Otomasi Industri - FR-4 menawarkan kinerja yang stabil dalam sistem yang membutuhkan daya tahan dan fungsi yang konsisten dari waktu ke waktu.
• Catu Daya dan Konverter - Untuk sirkuit yang bekerja di bawah frekuensi yang sangat tinggi, FR-4 memberikan insulasi dan kinerja yang memenuhi persyaratan.
• Desain Sensitif Biaya - Ketika anggaran penting, FR-4 memungkinkan Anda menjaga biaya produksi lebih rendah tanpa melepaskan keandalan.
Batasan FR-4 dan Alternatif yang Lebih Baik
Ketika FR-4 Tidak Cocok
• Sirkuit Frekuensi Tinggi - Di atas sekitar 6-10 GHz, FR-4 menyebabkan kehilangan sinyal yang lebih tinggi, yang membuatnya tidak cocok untuk desain RF atau gelombang mikro tingkat lanjut.
• Kecepatan Data Ultra-Tinggi - Untuk kecepatan seperti PCIe Gen 5 ke atas (25+ Gbps), FR-4 menambahkan terlalu banyak penundaan dan kehilangan penyisipan, mengurangi integritas sinyal.
• Kondisi Suhu Tinggi - FR-4 standar mulai rusak lebih cepat saat terkena suhu lebih tinggi dari sekitar 150 °C, membuatnya tidak dapat diandalkan untuk penggunaan jangka panjang di lingkungan seperti itu.
Alternatif untuk FR-4
| Bahan | Kasus Penggunaan |
|---|---|
| Laminasi Rogers | Desain RF dan gelombang mikro membutuhkan kehilangan sinyal rendah |
| Komposit PTFE | Kehilangan dielektrik ultra-rendah untuk presisi sirkuit frekuensi tinggi |
| Polimida | Daya tahan suhu tinggi di lingkungan yang keras |
| Keramik | Performa dan daya tahan ekstrem di bawah tekanan |
Nilai dan Kegunaan FR-4
FR-4 Standar
FR-4 standar memiliki suhu transisi kaca (Tg) sekitar 130–150 °C. Ini adalah kelas yang paling umum, digunakan dalam elektronik, peralatan kantor, dan sistem kontrol industri standar.
Tg Tinggi FR-4
Tg Tinggi FR-4 menawarkan Tg 170–180 °C atau lebih tinggi. Kelas ini diperlukan untuk proses penyolderan bebas timah dan digunakan dalam elektronik otomotif, papan kedirgantaraan, dan desain lain yang membutuhkan stabilitas termal yang lebih tinggi.
CTI Tinggi FR-4
High-CTI FR-4 memberikan indeks pelacakan komparatif (CTI) 600 atau lebih tinggi. Ini dipilih untuk catu daya, konverter, dan sirkuit tegangan tinggi di mana jarak merambat dan jarak bebas yang aman diperlukan.
FR-4 Bebas Halogen
FR-4 bebas halogen memiliki sifat yang mirip dengan tipe standar atau Tg tinggi, tetapi menghindari penghambat api berbasis halogen. Ini digunakan dalam desain ramah lingkungan yang harus mematuhi standar lingkungan RoHS dan REACH.
Masalah Integritas Sinyal di FR-4
Masalah
FR-4 menggunakan kain kaca tenun untuk kekuatan, tetapi tenunan ini tidak seragam sempurna. Saat merutekan pasangan diferensial, satu jejak dapat melewati terutama bundel kaca, yang memiliki konstanta dielektrik lebih tinggi, sedangkan jejak lainnya melewati resin, yang memiliki konstanta dielektrik lebih rendah. Paparan yang tidak merata ini menyebabkan sinyal bergerak pada kecepatan yang sedikit berbeda, menciptakan apa yang disebut kemiringan tenunan serat.
Dampak
Perbedaan kecepatan antara kedua sinyal menyebabkan ketidakcocokan waktu. Pada kecepatan data tinggi, ketidakcocokan ini muncul sebagai kemiringan diferensial, jitter tambahan, dan bahkan penutupan diagram mata. Efek ini dapat mengurangi integritas sinyal dan membatasi kinerja saluran komunikasi berkecepatan tinggi.
Solusi
Perutean pasangan diferensial pada sudut 10–15° ke tenunan membantu mencegah jejak sejajar langsung dengan bundel kaca. Memilih kain kaca yang menyebar, seperti gaya 3313, membuat sifat dielektrik lebih seragam di seluruh papan. Pasangan diferensial yang mengejutkan memastikan kedua jejak menemukan campuran material yang serupa. Kemiringan penganggaran dalam simulasi waktu memungkinkan Anda memprediksi dan memperhitungkan efek ini sebelum fabrikasi.
Risiko Kelembaban dan Keandalan di FR-4
Efek Kelembaban
• Pengurangan Tg Selama Reflow - Kelembaban yang diserap menurunkan suhu transisi kaca, yang membuat material kurang stabil selama penyolderan dan dapat menyebabkan delaminasi.
• Degradasi Dielektrik - Pada frekuensi tinggi, kelembaban meningkatkan kehilangan dielektrik, yang mengurangi kualitas sinyal dalam desain kecepatan GHz.
• Filamen Anodik Konduktif (CAF) - Salah satu risiko paling serius, CAF terjadi ketika ion tembaga bermigrasi melalui epoksi di bawah bias listrik, membentuk jalur konduktif tersembunyi yang dapat menyebabkan korsleting antara jejak atau via.
Mengurangi Masalah Kelembaban
• Simpan papan kering dan disegel untuk mencegah kelembapan.
• Panggang papan sebelum digunakan jika terkena kelembapan.
• Pilih FR-4 tahan CAF untuk desain kepadatan tinggi atau tegangan tinggi.
• Ikuti aturan jarak dari IPC untuk mengurangi risiko korsleting.
Faktor-faktor yang Harus Diperiksa Sebelum Membeli FR-4
• Tentukan kelas laminasi dan lembaran garis miring IPC-4101 untuk menghindari kebingungan.
• Sertakan nilai konstanta dielektrik spesifik frekuensi (Dk) dan faktor disipasi (Df) untuk pita operasi yang dimaksudkan.
• Konfirmasikan persyaratan termal dengan Tg ≥ 170 °C dan Td > 300 °C untuk penyolderan bebas timbal dan stabilitas panas jangka panjang.
• Panggil kekasaran foil tembaga untuk lapisan berkecepatan tinggi untuk meminimalkan kehilangan penyisipan.
• Perhatikan peringkat indeks pelacakan komparatif (CTI) saat merancang untuk jalur tegangan tinggi.
• Pilih laminasi tahan CAF untuk padat melalui bidang atau aplikasi tegangan tinggi.
• Tambahkan petunjuk penanganan atau penyimpanan untuk mengontrol kelembaban dan mencegah delaminasi.
• Minta kain kaca yang menyebar untuk pasangan diferensial untuk mengurangi kemiringan tenunan serat.
Kesimpulan
FR-4 menawarkan kekuatan, isolasi, dan efisiensi biaya, itulah sebabnya FR-4 tetap menjadi bahan PCB standar. Namun, ia memiliki batasan dalam kondisi frekuensi tinggi, kecepatan tinggi, atau suhu tinggi. Dengan mengetahui faktor kelistrikan, termal, dan keandalannya, dan memilih kelas yang tepat, Anda dapat memastikan kinerja yang stabil atau beralih ke alternatif yang lebih baik saat desain menuntutnya.
Pertanyaan yang Sering Diajukan [FAQ]
Apa itu IPC-4101 di FR-4?
Ini adalah standar yang mendefinisikan sifat laminasi FR-4 seperti Tg, Dk, dan penyerapan kelembaban.
Apa perbedaan FR-4 dengan PCB inti logam?
FR-4 adalah untuk PCB umum, sedangkan PCB inti logam menggunakan aluminium atau tembaga untuk pembuangan panas yang lebih baik.
Bisakah FR-4 digunakan dalam PCB fleksibel?
Tidak, FR-4 kaku. Ini hanya bisa menjadi bagian dari desain kaku-fleksibel dengan lapisan polimida.
Apa penyerapan kelembaban FR-4?
Sekitar 0,10–0,20%, yang dapat menurunkan stabilitas jika tidak dipanggang atau disimpan dengan benar.
Apakah FR-4 bagus untuk sirkuit tegangan tinggi?
Ya, nilai CTI tinggi (CTI ≥ 600) digunakan dalam catu daya dan konverter.
Mengapa kekasaran foil tembaga penting di FR-4?
Keraih kasar meningkatkan kehilangan sinyal; foil halus meningkatkan kinerja kecepatan tinggi.