Ihre FR4-Substratwahl beeinflusst alles von der Signalintegrität bis zur Produktlebensdauer, doch viele Ingenieure behandeln sie als nachrangig. Sie konzentrieren sich auf Schaltungsdesign und Komponentenauswahl, während sie die Grundlage, die alles funktionieren lässt — das FR4-Material selbst — übersehen.
Hier ist die Realität: Zwei Platinen mit identischem Schaltungsdesign können sich aufgrund der FR4-Substrateigenschaften drastisch unterschiedlich verhalten. Eine erhält saubere Signale bei hohen Frequenzen, während die andere unter Rauschen und Verzerrung leidet. Eine hält jahrelangen thermischen Zyklen stand, während die andere nach Monaten delaminiert.
Bei HILPCB Factory haben wir gesehen, wie Substratmaterialeigenschaften die Produktzuverlässigkeit machen oder brechen. Dieser Leitfaden erklärt die kritischen FR4-Eigenschaften, die die Leistung beeinflussen, und wie Sie sie richtig für Ihre Anwendung spezifizieren.
Verständnis der FR4-Substratzusammensetzung
FR4 ist kein einzelnes Material, sondern ein Verbundlaminat, das mehrere Komponenten kombiniert, die jeweils die Leistung unterschiedlich beeinflussen.
Kernkomponenten
Epoxidharzsystem: Die Matrix, die alles zusammenhält. Unterschiedliche Epoxidformulierungen bieten unterschiedliche Eigenschaften:
- Standard-Epoxid: Kosteneffizient, geeignet für die meisten Anwendungen
- Modifiziertes Epoxid: Verbesserte thermische oder elektrische Eigenschaften
- Halogenfreies Epoxid: Umweltkonformität ohne Leistungseinbußen
Glasgewebe: Gewebte Glasfaser liefert mechanische Festigkeit und Dimensionsstabilität. Der Gewebestil beeinflusst:
- Mechanische Steifigkeit
- Gleichmäßigkeit der Dielektrizitätskonstante
- Bohrqualität und Via-Zuverlässigkeit
Kupferfolie: Obwohl technisch nicht Teil des Substrats, beeinflusst der Kupfertyp die Leistung:
- ED (elektrolytisch abgeschiedenes) Kupfer: Standard, wirtschaftlich
- RTF (Reverse-Treated Foil): Bessere Haftung für dünne Dielektrika
- VLP (Very Low Profile): Glatte Oberfläche für Hochfrequenz-Designs
Die spezifische Kombination dieser Komponenten bestimmt, wie sich Ihr FR4-Substrat über verschiedene Parameter hinweg verhält.
Materialspezifikationen
Bei der Bewertung von FR4-Substraten für die Leiterplattenfertigung sind diese Spezifikationen wichtig:
TG (Glasübergangstemperatur): Die Temperatur, bei der FR4 vom starren in den gummiartigen Zustand übergeht. Kritisch für die thermische Zuverlässigkeit.
TD (Zersetzungstemperatur): Temperatur, bei der das Material beginnt, sich zu zersetzen. Typischerweise 30-50°C über TG.
CTE (Wärmeausdehnungskoeffizient): Wie stark sich das Material mit der Temperatur ausdehnt. Niedrigerer CTE reduziert die Belastung von Vias und Bauteilverbindungen.
Dk (Dielektrizitätskonstante): Beeinflusst die Signallaufgeschwindigkeit und Impedanz. Niedrigeres Dk ist generell besser für Hochgeschwindigkeits-Designs.
Df (Verlustfaktor): Misst die dielektrischen Verluste — die vom Substrat bei hohen Frequenzen absorbierte Energie. Niedrigerer Df bedeutet geringere Signalverluste.
Wie FR4-Substrateigenschaften die Leistung beeinflussen
Die Leistung einer Leiterplatte ist eng mit dem elektrischen und mechanischen Verhalten ihres FR4-Substrats verbunden. Für Hochgeschwindigkeits- oder HF-Designs beeinflussen die Dielektrizitätskonstante (Dk) und der Verlustfaktor (Df) direkt die Signalqualität. Standard-FR4 (Dk≈4.5, Df≈0.02) funktioniert gut bis etwa 2 GHz, aber darüber hinaus verursachen Variationen Impedanzdrift und Taktversatz. Die Verwendung von verlustarmem FR4 (Dk-Toleranz ±2 %, Df < 0.012) gewährleistet stabile Impedanz und geringere Dämpfung bis zu 10 GHz oder mehr — ideal für HDI-Leiterplatten und Hochfrequenz-Layouts.
Thermische Stabilität definiert die Langzeitzuverlässigkeit. Die begrenzte Wärmeleitfähigkeit von Standard-FR4 (~0.3 W/m·K) und die höhere Ausdehnungsrate (CTE 50–70 ppm/°C) können Vias und Lötstellen während des Reflow-Lötens oder Betriebs belasten. Hoch-Tg-FR4 (170–180 °C)-Materialien bieten geringere Ausdehnung und bessere mechanische Festigkeit, unerlässlich für bleifreie Bestückung und Leistungs- oder Mehrlagen-Designs. Für wärmeintensive Aufbauten verbessern Mehrlagen-Leiterplatten-Konfigurationen mit Kupferebenen und thermischen Vias die Wärmeverteilung weiter.
Umweltbeständigkeit ist ebenfalls wichtig. FR4 kann Feuchtigkeit aufnehmen, was Dk erhöht, die Isolierung verringert und Delaminierungsrisiko birgt. Die Verwendung von niedrig absorbierendem oder halogenfreiem FR4 in Kombination mit Trockenlagerung und Vorbackpraktiken hält die Stabilität. Alle HILPCB-Materialien tragen UL-94-V-0-Flammwidrigkeitsbewertungen und erfüllen IPC-4101, RoHS und REACH, was sowohl Leistung als auch regulatorisches Vertrauen über globale Märkte hinweg gewährleistet.
HILPCBs FR4-Materialbestand — Immer bereit für Ihren Aufbau
Wenn Sie nur wissen müssen, ob wir FR4-Materialien auf Lager haben, lautet die Antwort ja — wir führen einen großen, rotierenden Bestand, der alle Standard- und fortschrittlichen PCB-Aufbauten abdeckt. Nachstehend sind einige Beispiele unserer regelmäßig gelagerten Materialien aufgeführt; für genaue und aktuelle Verfügbarkeit kontaktieren Sie uns bitte direkt.
1. Standard-FR4-Materialien (für allgemeine Elektronik)
- Shengyi S1000-2M / S1000H – Tg 135–140 °C, perfekt für alltägliche Consumer- und Industrieplatinen
- Nanya NP-155F / NP-140G – Mid-Tg-Laminate mit zuverlässiger bleifreier Kompatibilität
- Ventec VT-47 / VT-42 – Kostengünstige Optionen für Prototypen und Kleinserienbestückung
- Isola FR406 – Stabile Dielektrizitätskonstante und exzellente Registrierung für 4- bis 10-lagige Designs
Diese Standard-FR4-Klassen sind immer auf Lager für 1-Unze-Kupfer, 1,6-mm-Platinen — der schnellste Weg von der Angebotserstellung zum Versand.
2. Hoch-Tg und verbesserte FR4 (für raue Umgebungen)
- Shengyi S1170 / S1180, Nanya NP-180T, Isola 370HR — 170–180 °C Tg-Bereich für Automotive, Leistung und industrielle Steuerung
- Ventec VT-481 – Halogenfreies, Hoch-Tg-Laminat, das RoHS und UL 94 V-0 erfüllt
- Hochthermisches FR4 – Optimierte Harzsysteme für wiederholtes Reflow-Löten und Schwerkupferanwendungen
Üblicherweise für Automotive-, Leistungs- oder Multi-Reflow-Projekte reserviert. Lager wöchentlich aufgefüllt — fragen Sie frühzeitig an, um Panel-Lots zu sichern.
3. Spezialisierte & verlustarme FR4-Optionen
- Verlustarmes FR4 (Df ≤ 0.012) für Hochgeschwindigkeits-Digital-, HF- und impedanzkontrollierte Mehrlagen-Leiterplatten-Designs
- Halogenfreies FR4 für umweltkonforme und exportregulierte Aufbauten
- Hybride FR4 + PTFE-Stapel für Mixed-Signal- und Antennenmodule
- Hochwärmeleitfähiges FR4 verwendet in LED-Treibern und Stromwandlern
- CTE-ausgeglichene Laminate zur Minimierung von Verzug in asymmetrischen oder Schwerkupfer-Designs
Die meisten verlustarmen und halogenfreien Varianten sind in 1,0-mm- und 1,6-mm-Kernen gelagert; andere Dicken auf Anfrage erhältlich.
4. Schneller Lagerbestandscheck & Reservierung
Da FR4-Materialien schnell umschlagen, empfehlen wir, Ihre Charge vor Aufbaubeginn zu bestätigen. Senden Sie Ihre Gerber-Dateien + Zielstärke + Kupfergewicht, und unsere Ingenieure werden:
- Aktuelle Lagerchargen bestätigen (Marke, Tg, Chargennummer)
- Material-COC und UL-Dateireferenz bereitstellen
- Lagerbestand unter Ihrem Projektnamen reservieren
- Gleichwertige Ersatzstoffe vorschlagen, falls Ihr bevorzugter Code nicht vorrätig ist
Häufig gestellte Fragen
Wie unterscheidet sich FR4-Substrat von anderen PCB-Materialien wie Rogers oder Polyimid? FR4 bietet das beste Kosten-Leistungs-Verhältnis für Frequenzen unter 5 GHz und Betriebstemperaturen unter 150°C. Rogers-Materialien bieten bessere Hochfrequenzleistung, kosten aber 5-10x mehr. Polyimid bietet höhere Temperaturfähigkeit (bis zu 260°C kontinuierlich), ist aber teurer und spröder als FR4.
Kann ich verschiedene FR4-Klassen in einer Mehrlagenplatine mischen? Während technisch möglich, empfehlen wir es aufgrund von CTE-Fehlanpassung zwischen den Materialien nicht, die Laminationsspannung und potenzielles Delaminieren verursacht. Für spezielle Anwendungen, die auf verschiedenen Lagen unterschiedliche Eigenschaften erfordern, können wir geeignete Stapelungen entwerfen, aber Einzelmaterialkonstruktion ist zuverlässiger.
Was ist die Haltbarkeit von FR4-Substratmaterial? Richtig gelagerte kupferkaschierte Laminate bleiben 12+ Monate verwendbar. Fertige Leiterplatten mit ENIG- oder OSP-Oberflächenfinish sollten innerhalb von 12 Monaten für optimale Lötbarkeit verwendet werden. Wir codieren alle Materialien mit dem Datum und liefern Lagerungsempfehlungen mit jeder Bestellung.
Wie spezifiziere ich FR4-Substratanforderungen in meinen Design-Dateien? Fügen Sie diese Spezifikationen hinzu: TG-Bewertung, Kupfergewicht, Platinenstärke, besondere Anforderungen (halogenfrei, Impedanzkontrolle, etc.). Unser Ingenieurteam überprüft alle Spezifikationen während der DFM-Analyse und empfiehlt Alternativen, falls geeignetere Materialien verfügbar sind.
Beeinflusst die FR4-Substratqualität die Bestückungsausbeute? Absolut. FR4 von schlechter Qualität mit übermäßiger Verwindung verursacht Platziergenauigkeitsprobleme. Unzureichende Kupferhaftung führt zum Anheben von Leiterbahnen während des Lötens. Niedrig-TG-Material kann während des Reflow-Lötens delaminieren. Wir verwenden nur Premium-FR4 von zertifizierten Lieferanten, um konsistente Bestückungsergebnisse zu gewährleisten.