Wenn es um Leiterplatten geht, ist FR-4 der Industriestandard.
Das Material ist preiswert, zuverlässig und funktioniert in fast allen Allzweck-Anwendungen – von der Unterhaltungselektronik bis zu industriellen Steuerungen. Aber FR-4 ist keine Lösung für jeden Fall. Wer versteht, was FR-4 genau ist, wo seine Grenzen liegen und wann man auf andere Leiterplattenmaterialien wechseln sollte, entwickelt robustere und leistungsfähigere Designs.
Was ist FR-4 – und warum ist es so beliebt?
FR-4 steht für Flame Retardant, Grade 4 (flammenhemmend, Klasse 4).
Es ist ein Verbund aus gewebtem Glasfasergewebe und Epoxidharz, mechanisch fest und elektrisch isolierend. „FR“ bedeutet, dass das Material die Flammwidrigkeit UL94 V-0 erfüllt – es brennt nach Entfernen der Zündquelle nicht weiter.
Kurz gesagt: FR-4 ist das Rückgrat der meisten Leiterplatten. Es verbindet die Kupferlagen, liefert mechanische Stabilität und verhindert Kurzschlüsse oder Verzug im Betrieb.
Dank des guten Kompromisses aus Kosten, Haltbarkeit und elektrischen Eigenschaften ist FR-4 das am häufigsten verwendete Leiterplattenmaterial in fast allen Bereichen der Elektronikfertigung.
Woraus bestehen Leiterplatten?
Jede Leiterplatte – unabhängig von der Komplexität – hat denselben Grundaufbau:
- Kupferfolie: Leitende Schicht für Signale und Strom.
- Basismaterial (FR-4 oder andere): Isolierende, tragende Schicht zwischen den Kupferlagen.
- Lötstoppmaske: Schutz vor Oxidation und Kurzschlüssen.
- Bestückungsdruck (Silkscreen): Bauteilkennzeichnung, Referenzen, Logos.
- Oberflächenfinish (z. B. ENIG, OSP, HASL): Hält freiliegendes Kupfer lötfähig.
Bei den meisten Mehrlagen-PCBs bestehen Kern (Core) und Prepreg aus FR-4 und bilden mit Kupfer auf beiden Seiten einen „Sandwich“-Aufbau. Darum meinen „PCB FR-4 material“ und „FR-4 PCB board“ in der Praxis oft dasselbe – das standardisierte starre Laminat der Leiterplattenfertigung.
Wichtige Materialeigenschaften von FR-4
Alle FR-4-Laminate sind ähnlich aufgebaut, unterscheiden sich aber je nach Harzanteil, Glasgewebe und Prozess. Für die Auswahl zählen vor allem:
1) Glasübergangstemperatur (Tg)
Temperatur, bei der das Harz von hart zu weich übergeht.
- Standard-FR-4: ca. 130–140 °C
- High-Tg-FR-4: ca. 170–200 °C
Höhere Tg bedeutet bessere Hitzebeständigkeit und mehr Reflow-Zyklen ohne Schäden. Für bleifreies Löten oder mehrere Reflows: High-Tg FR-4 wählen.
2) Dielektrizitätskonstante (Dk) & Verlustfaktor (Df)
Beschreiben das Hochfrequenz-Verhalten:
- Typischer Dk: 3,8–4,8
- Typischer Df: 0,015–0,025
FR-4 ist für niedrige bis mittlere Frequenzen gut. Für RF oder hoch-/höchstschnelle Digitalsignale steigen Verluste deutlich – PTFE oder niedrigverlustige Laminate sind dann im Vorteil.
3) Leiterplatten- und Kupferdicke
- Gängige Leiterplattendicken: 1,6 mm, 1,0 mm, 0,8 mm
- Kupfergewichte: 0,5 oz, 1 oz, 2 oz pro ft²
Mehr Kupfer = höhere Stromtragfähigkeit und bessere Wärmeverteilung, aber feinere Strukturen werden schwieriger. 1 oz Kupfer bei 1,6 mm FR-4 passt zu den meisten 4-/6-Lagen-Designs.
4) Wärmeleitfähigkeit
FR-4 hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit (~0,3 W/m·K).
Für niedrige Leistungen genügt das, bei Hochleistung-LEDs oder Leistungswandlern meist nicht – hier sind Aluminium-/Metallkern-PCBs sinnvoller.
5) Flammwidrigkeit & Festigkeit
FR-4 erfüllt UL94 V-0 und bietet hohe Steifigkeit sowie Formstabilität unter moderaten thermischen und mechanischen Lasten.
Schnellreferenz: typische FR-4-Kennwerte
| Eigenschaft | Typischer Bereich | Einfluss |
|---|---|---|
| Tg (°C) | 130–200 | Hitzebeständigkeit, Reflow-Robustheit |
| Dk | 3,8–4,8 | Signalgeschwindigkeit, Impedanz |
| Df | 0,015–0,025 | Hochfrequenzverluste |
| Wärmeleitfähigkeit | ~0,3 W/m·K | Wärmeabfuhr |
| Wasseraufnahme | ≤ 0,15 % | Stabilität bei Feuchtigkeit |
| Flammklasse | UL94 V-0 | Sicherheit/Normen |
Wann FR-4 passt – und wann nicht
✅ Verwenden Sie FR-4, wenn …
- Ihr Design bei moderaten Frequenzen/Geschwindigkeiten läuft (digital/analog/Steuerung).
- Sie Mehrlagen-Flexibilität brauchen (bis ~10 Lagen).
- Kosten und Verfügbarkeit entscheidend sind.
- Die Betriebstemperatur unter 130–150 °C bleibt.
⚠️ Meiden oder aufrüsten, wenn …
- RF oder GHz-Signale beteiligt sind – Df ist für lange impedanzkontrollierte Leitungen zu hoch.
- Effiziente Wärmeabfuhr nötig ist (Hochleistungs-LED, Leistungsmodule) – FR-4 speichert Wärme; Aluminium/IMS leitet sie ab.
- Extreme Temperaturwechsel auftreten (Automotive, Luft-/Raumfahrt) – High-Tg oder Keramik sind robuster.
FR-4 im Vergleich zu anderen PCB-Materialien
FR-4 vs. Aluminium-PCB (IMS)
| Merkmal | FR-4 | Aluminium (IMS) |
|---|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit | Niedrig (~0,3 W/m·K) | Hoch (1–3 W/m·K) |
| Lagenzahl | Bis 12+ | Meist 1–2 |
| Kosten | Niedrig | Mittel |
| Gewicht | Leicht | Schwerer |
| Ideal für | Allgemeine Elektronik | LED, Leistung, Thermik |
Aluminium-PCBs punkten mit sehr guter Wärmeabfuhr und Stabilität. FR-4 dominiert bei Signalen/Logik mit geringer Abwärme.
FR-4 vs. Hochfrequenz-Laminate (PTFE, Rogers etc.)
| Merkmal | FR-4 | PTFE / Rogers |
|---|---|---|
| Dk | 3,8–4,8 | 2,2–3,2 |
| Df | 0,015–0,025 | < 0,005 |
| Fertigung | Einfach | Anspruchsvoller |
| Kosten | Niedrig | Hoch |
| Ideal für | Allgemein digital/analog | RF, Mikrowelle, 5G, Radar |
Arbeitet Ihr Design im GHz-Bereich oder braucht präzise Impedanzen, lohnt der Umstieg auf niedrigverlustige Laminate. In den meisten anderen Fällen ist FR-4 die wirtschaftliche Standardwahl.
So wählen Sie Dicke & Stack-up bei FR-4
Dicke der Leiterplatte und Kupfergewicht beeinflussen Impedanz, Steifigkeit und Passung zu Steckverbindern/Gehäusen.
Empfehlungen:
- 1,6 mm & 1 oz Cu – Standard für die meisten 4-/6-Lagen-PCBs.
- 1,0 mm oder 0,8 mm – Für kompakte oder leichte Baugruppen.
- 2 oz Cu – Für höhere Ströme/Wärme, dabei Leiterbahnbreiten beachten.
Ihr Fertiger hilft bei Standard-Core/Prepreg-Kombinationen für die gewünschte Impedanz. Kommunizieren Sie früh Lagenziel, Power/GND-Ebenen und Dielektrika – dann kommt der beste Vorschlag schnell.
FAQ zu FR-4
F: Was bedeutet FR-4 bei Leiterplatten?
A: Ein Glasfaser-/Epoxid-Laminat mit Flammwidrigkeit, das als Haupt-Isolier- und Trägermaterial der meisten PCBs dient.
F: Woraus bestehen PCBs?
A: Aus Kupferlagen, FR-4-Substrat, Lötstoppmaske, Bestückungsdruck und Oberflächenfinish.
F: Ist FR-4 für hohe Frequenzen geeignet?
A: Für niedrig/mittel – ja. Bei GHz steigen Verluste deutlich.
F: Welche FR-4-Dicke ist Standard?
A: 1,6 mm ist am verbreitetsten; 1,0 mm und 0,8 mm für kompakte Designs.
F: Wann sollte ich Aluminium statt FR-4 wählen?
A: Wenn Thermik kritisch ist, z. B. Hochleistungs-LED oder Leistungswandler.
Fazit
FR-4 liefert den bewährten Mix aus Festigkeit, Isolation und Fertigbarkeit für den Alltag der Elektronik.
Erreicht Ihr Design jedoch GHz-Geschwindigkeiten oder arbeitet im Leistungsbereich, werden die Grenzen sichtbar. Bewerten Sie Anforderungen früh – die richtige Materialwahl ist der einfachste Hebel für Signalqualität und Langzeitzuverlässigkeit.
