כשמדובר בלוחות מודפסים (PCB), FR-4 הוא ברירת המחדל של התעשייה.
הוא זול, אמין ועובד כמעט בכל יישום כללי—מהאלקטרוניקה צרכנית ועד מערכות בקרה תעשייתיות. עם זאת, FR-4 אינו פתרון אחיד לכל מצב. הבנה של מהו FR-4 באמת, מה מגבלותיו, ומתי צריך לעבור לחומרים אחרים—תעזור לך לתכנן לוחות שמחזיקים מעמד יותר ומבצעים טוב יותר.
מהו FR-4 ולמה הוא כל כך נפוץ
המונח FR-4 הוא קיצור של Flame Retardant Grade 4 (מדורג כמעכב בעירה, דרגה 4).
זהו חומר מרוכב העשוי מבד סיבי זכוכית ארוג ושרף אפוקסי, המשלב חוזק מכני עם בידוד חשמלי. הסימון “FR” מצביע על עמידה בתקן UL94 V-0 לעמידות באש—החומר אינו ממשיך לבעור לאחר הסרת מקור האש.
במילים פשוטות, FR-4 הוא השלד של רוב לוחות ה-PCB: הוא מחבר בין שכבות הנחושת, מספק קשיחות מכנית, ומונע קצר או עיוות במהלך הפעולה.
בזכות האיזון המצוין בין עלות, עמידות וביצועים חשמליים, FR-4 הוא חומר ה-PCB הנפוץ ביותר בכל מגזרי הייצור האלקטרוני.
ממה עשויים לוחות PCB?
כל לוח מודפס—בלי קשר לרמת המורכבות—מורכב מאותה ערימה בסיסית של שכבות:
- יריעת נחושת: השכבה המוליכה שמעבירה אותות וזרם.
- תשתית (FR-4 או אחרת): שכבת בידוד ותמיכה שמפרידה בין שכבות הנחושת.
- מסכת הלחמה (Solder Mask): ציפוי מגן שמונע חמצון וקצרים.
- משי/סילקסקרין: הדפסת סימונים, מק”טים וסימוני רכיבים.
- גימור שטח (ENIG, OSP, HASL וכו’): שומר על כריות נחושת חשופות ניתנות להלחמה.
ברוב ה-PCB הרב־שכבתיים, שכבות Core ו-Prepreg עשויות FR-4, ויוצרות מבנה “סנדוויץ’” עם נחושת משני הצדדים. לכן הביטויים “PCB FR4 material” ו-“FR4 PCB board” מתייחסים בפועל לאותו דבר—הלמינייט הקשיח הסטנדרטי בתהליך הייצור.
תכונות חומר עיקריות של FR-4
לכל למינייטי FR-4 הרכב דומה, אך הערכים המדויקים משתנים לפי תכולת שרף, סגנון זכוכית ותהליך ייצור. לבחירה הנכונה, התמקד/י ב:
1) טמפרטורת מעבר זכוכיתי (Tg)
הטמפרטורה שבה השרף עובר מקשיח לרך.
- FR-4 סטנדרטי: כ-130–140°C
- FR-4 Tg-גבוה: כ-170–200°C
Tg גבוהה יותר = עמידות טובה יותר לחום ולמספר מחזורי ריפלואו. לתהליכי ללא עופרת או לריבוי ריפלואים—בחר/י FR-4 Tg-גבוה.
2) קבוע דיאלקטרי (Dk) ופקטור הפסד (Df)
מאפיינים את התנהגות החומר בתדרים גבוהים:
- Dk טיפוסי: 3.8–4.8
- Df טיפוסי: 0.015–0.025
FR-4 מתאים לעבודה בתדרים נמוכים עד בינוניים. ל-RF או דיגיטל מהיר—ההפסדים ב-FR-4 נעשים מורגשים; חומרים דליי־הפסד כמו PTFE/Rogers עדיפים.
3) עובי לוח ועובי נחושת
- עוביי לוח נפוצים: 1.6 מ”מ, 1.0 מ”מ, 0.8 מ”מ
- משקלי נחושת נפוצים: 0.5 oz, 1 oz, 2 oz ל-ft²
נחושת עבה יותר סוחבת זרם גבוה יותר ומפזרת חום טוב יותר, אך מקשה על מסלולים עדינים. לרוב, 1 oz נחושת עם 1.6 מ”מ FR-4 מתאים לרבים מלוחות 4/6 שכבות.
4) מוליכות תרמית
ל-FR-4 מוליכות תרמית נמוכה (~0.3 W/m·K).
זה מספיק למכשירים חסכוניים, אך לא ל-LED בהספק גבוה או ממירים. במקרים אלו עדיף אלומיניום/IMS או לוחות מתכת־ליבה.
5) עמידות באש וקשיחות
FR-4 עומד בתקן UL94 V-0, מספק קשיחות מכנית גבוהה ושומר על יציבות ממדית תחת מאמצים תרמיים ומכניים מתונים.
רפרנס מהיר: מפרטים נפוצים של FR-4
| תכונה | תחום טיפוסי | מה מושפע |
|---|---|---|
| Tg (°C) | 130–200 | עמידות לחום, שרידות בריפלואו |
| Dk | 3.8–4.8 | מהירות אות, אימפדנס |
| Df | 0.015–0.025 | הפסדי תדר גבוה |
| מוליכות תרמית | ~0.3 W/m·K | פינוי חום |
| ספיגת מים | ≤ 0.15% | יציבות בלחות |
| דירוג בעירה | UL94 V-0 | תאימות בטיחות |
מתי FR-4 הוא הבחירה הנכונה—ומתי לא
✅ השתמש/י ב-FR-4 כאשר:
- התכן עובד במהירויות/תדרים בינוניים (דיגיטל, אנלוג, בקרה).
- דרושה גמישות רב־שכבתית (עד ~10 שכבות).
- עלות וזמינות הן קריטיות.
- טמפרטורת העבודה מתחת ל-130–150°C.
⚠️ הימנע/י או שדרג/י כאשר:
- יש RF או GHz—ה-Df של FR-4 גבוה מדי למסלולים ארוכים עם אימפדנס מבוקר.
- צריך פינוי חום יעיל (לד הספק, מודולי כוח)—FR-4 לוכד חום; אלומיניום/IMS מוליכים אותו החוצה.
- קיימים מחזורי טמפרטורה קיצוניים (רכב/תעופה־חלל)—עדיף Tg-גבוה או קרמיקה.
FR-4 לעומת חומרים אחרים
FR-4 מול לוח אלומיניום (IMS)
| מאפיין | FR-4 | אלומיניום (IMS) |
|---|---|---|
| מוליכות תרמית | נמוכה (~0.3 W/m·K) | גבוהה (1–3 W/m·K) |
| מס’ שכבות | עד 12+ | לרוב 1–2 |
| עלות | נמוכה | בינונית |
| משקל | קל | כבד יותר |
| מתאים ל- | אלק’ כללית | LED, הספק, תרמי |
לוחות אלומיניום מצטיינים בפינוי חום ויציבות. FR-4 שולט כאשר מדובר בלוגיקה/אותות עם עומס תרמי נמוך.
FR-4 מול חומרים לתדר גבוה (PTFE, Rogers וכו’)
| מאפיין | FR-4 | PTFE / Rogers |
|---|---|---|
| Dk | 3.8–4.8 | 2.2–3.2 |
| Df | 0.015–0.025 | < 0.005 |
| תהליך ייצור | קל | תובעני יותר |
| עלות | נמוכה | גבוהה |
| מתאים ל- | דיגיטל/אנלוג כללי | RF, מיקרוגל, 5G, רדאר |
אם התכן פועל ב-GHz או דורש בקרת אימפדנס מדויקת, שווה לשדרג ללמינייט דל־הפסד. לשאר המקרים—FR-4 נשאר פתרון פרקטי וכלכלי.
איך לבחור עובי וסטאק־אפ נכונים ב-FR-4
עובי הלוח ומשקל הנחושת משפיעים ישירות על אימפדנס, קשיחות והתאמה למחברים/מארז.
המלצות נפוצות:
- 1.6 מ”מ עם 1 oz נחושת—סטנדרט לרוב לוחות 4/6 שכבות.
- 1.0 מ”מ או 0.8 מ”מ—למודולים קומפקטיים או רגישים למשקל.
- 2 oz—לזרמים גבוהים/ביצועים תרמיים טובים יותר (בדוק/י רוחב מסלולים).
היצרן יכול להציע קומבינציות Core/Prepreg סטנדרטיות להשגת אימפדנס יעד. כשלא בטוחים—שתפו ביעדי הסטאק־אפ (שכבות אות, מישורי כוח/אדמה, עוביי דיאלקטרי), ותקבלו התאמה מיטבית.
שאלות נפוצות על FR-4
ש: מה משמעות FR-4 ב-PCB?
ת: למינייט סיבי זכוכית/אפוקסי מעכב בעירה, המשמש כחומר הבידוד והתמיכה העיקרי ברוב הלוחות.
ש: ממה עשויים לוחות PCB?
ת: משכבות נחושת, תשתית FR-4, מסכת הלחמה, סילקסקרין וגימור שטח.
ש: האם FR-4 מתאים לתדר גבוה?
ת: לתדרים נמוכים–בינוניים—כן. ב-GHz ההפסדים עולים משמעותית.
ש: מהו עובי FR-4 הסטנדרטי?
ת: 1.6 מ”מ הנפוץ ביותר; 1.0 מ”מ ו-0.8 מ”מ פופולריים לעיצובים קומפקטיים.
ש: מתי לבחור לוח אלומיניום במקום FR-4?
ת: כשניהול חום קריטי—למשל תאורת LED הספק או ממירי כוח.
סיכום
FR-4 מספק שילוב מוכח של חוזק, בידוד וייצוריות לרוב מוצרי האלקטרוניקה.
אך כאשר תכן מגיע ל-מהירויות GHz או פועל בתחומי הספק גבוה, המגבלות נחשפות. העריכו את דרישות הפרויקט מוקדם—בחירת התשתית הנכונה היא המנוף הפשוט ביותר להבטחת שלמות חשמלית ואמינות לאורך זמן.
