Материалы

Основание платы кажется скучной частью: просто «зелёная пластинка». Но материал определяет, выдержит ли плата пайку, как она поведёт себя в горячем корпусе и на какой частоте по ней можно передавать сигналы.

FR-4

FR-4 — самый распространённый материал оснований. Это стеклоткань (тонкая ткань из стекловолокна), пропитанная эпоксидной смолой. Буквы FR означают flame retardant: материал не поддерживает горение. Цифра 4 — номер класса в старой американской классификации NEMA. FR-4 — не марка конкретного производителя, а семейство материалов с похожими свойствами. Конкретные марки описаны в стандарте IPC-4101 «листами спецификаций» (slash sheets).

Аналогия — железобетон: стеклоткань работает как арматура (прочность, стабильные размеры), смола — как бетон (связывает и изолирует).

Ключевые параметры

Параметр	Что значит	Типично для FR-4
Tg — температура стеклования (glass transition)	выше неё смола из твёрдой становится «резиновой»	130–140 °C обычный, около 150 °C средний, от 170 °C high-Tg
Td — температура разложения (decomposition)	смола начинает разрушаться, теряя массу	выше 300 °C, у хороших марок около 340–350 °C
CTE по Z — коэффициент теплового расширения по толщине	насколько плата «пухнет» при нагреве	десятки ppm/°C ниже Tg, в несколько раз больше выше Tg
εr (Dk) — диэлектрическая проницаемость	влияет на ёмкость и скорость сигналов, импеданс дорожек	≈ 4,2–4,7, зависит от частоты и доли смолы
tan δ (Df) — тангенс угла потерь	сколько энергии сигнала теряется в материале	≈ 0,015–0,02 — терпимо до единиц ГГц

Точные значения — в даташите конкретного ламината и в технологических нормах производителя. Например, JLCPCB указывает для стандартного FR-4 Tg 130–140 °C или 155 °C и εr ≈ 4,5 для двухсторонних плат.

Почему Tg так важен

Рис. 4.2. Пока температура ниже Tg, плата по толщине расширяется медленно; выше Tg смола размягчается и расширение по оси Z резко ускоряется. При бессвинцовой пайке плата проходит через 240–250 °C, и именно в этой зоне растягиваются и трескаются стенки переходных отверстий. Чем выше Tg, тем меньше суммарное расширение. Значения условные, типовые для FR-4.

Медь и стеклоткань расширяются при нагреве слабо, а смола — сильно, особенно выше Tg. По толщине платы (оси Z) стеклоткани нет, поэтому плата расширяется именно в этом направлении. А металлизированные стенки переходных отверстий тянутся вместе с ней. Если расширение большое, медь в отверстиях трескается, и соединение между слоями рвётся. Иногда это видно сразу, иногда только после сотен циклов нагрева и остывания.

Бессвинцовая пайка идёт при температуре заметно выше, чем свинцовая (урок 4.7), поэтому плата проводит больше времени выше Tg. Отсюда два практических правила:

1. Выбирай Tg с запасом 20–30 °C над максимальной рабочей температурой устройства. Eurocircuits приводит пример: модулю на 85 °C достаточно Tg 115 °C и выше, а для 125 °C нужен материал с Tg около 155–170 °C.
2. Для многослойных и толстых плат, а также при многократной пайке смотри не только на Tg, но и на Td: при высокой Td меньше риск расслоения.

Для учебных двухсторонних плат подходит стандартный FR-4 любого крупного производителя.

Другие основания

Материал	Что это	Когда нужен
FR-4 high-Tg	тот же стеклотекстолит с более термостойкой смолой	многослойные платы, горячие условия, много циклов пайки
CEM-1, FR-1/FR-2	бумага или стеклоткань в упрощённом исполнении	самые дешёвые односторонние платы; для металлизированных отверстий не годятся
Алюминиевое основание (MCPCB)	алюминиевая пластина + тонкий теплопроводный диэлектрик + медь	мощные светодиоды, силовые модули: тепло уходит в алюминий
Гибкие платы (flex)	плёнка полиимида с медью	шлейфы, складные устройства, носимая электроника
Гибко-жёсткие (rigid-flex)	жёсткие участки FR-4, соединённые гибкими полиимидными	компактные устройства без разъёмов между платами
ВЧ-ламинаты (PTFE, керамиконаполненные, например серии Rogers)	низкие и стабильные εr и потери	радиочастоты от единиц ГГц: антенны, СВЧ-тракты

📖Из учебникагл. 6, §6.04, с. 329–333

Хоровиц подробно разбирает, как отводить тепло от мощных транзисторов: радиаторы, тепловые сопротивления «кристалл–корпус–радиатор», изолирующие прокладки из слюды, оксида алюминия и оксида бериллия. Алюминиевая плата устроена по той же логике, только прокладка и радиатор встроены в саму плату: тонкий теплопроводный изолятор между медью и алюминием. Расчёт теплового сопротивления из §6.04 пригодится в уроке 5.8.

🛠Особенность Altium

Материал диэлектрика задаётся в Layer Stack Manager (Design›Layer Stack Manager в редакторе платы). У каждого слоя есть свойства Material, Thickness и для диэлектриков Dk. Для двухсторонней учебной платы значения по умолчанию достаточно поменять на данные производителя. Значение Dk становится важным, когда считают импеданс дорожек (модуль 9).

Практика

1. Устройство работает в корпусе на солнце до 95 °C. Какой Tg выбрать по правилу «+20…30 °C»? (Не ниже 115–125 °C. Стандартный FR-4 со 130–140 °C проходит, но запас небольшой, при многократной пайке лучше 150 °C.)
2. Нужна подсветка из десяти светодиодов по 1 Вт на одной плате. Какое основание? (Алюминиевое, MCPCB: 10 Вт на FR-4 без радиатора сильно перегреются.)
3. Найди на сайте любого производителя плат, какие марки FR-4 и значения Tg он предлагает по умолчанию.

🧯 Типичные ошибки

После нескольких перепаек «пропало» соединение через переходное отверстие

Почему Плату много раз нагревали выше Tg, и медь в отверстии треснула от расширения смолы.

Как исправить Не перегревай плату при ремонте. Для плат, которые паяют много раз или которые работают в жаре, бери high-Tg.

Под мощными светодиодами потемнел FR-4

Почему FR-4 плохо проводит тепло, без отвода тепла он перегревается.

Как исправить Используй алюминиевое основание или добавь медные полигоны и тепловые переходные отверстия (урок 5.8).

Импеданс дорожек посчитан по εr = 4,5, а на измерениях вышел другим

Почему εr FR-4 зависит от частоты, от доли смолы и от конкретной марки.

Как исправить Для контролируемого импеданса бери стек и εr у производителя и заказывай плату с контролем импеданса (модуль 9).

Проверь себя

1. 1. Что происходит со смолой FR-4 выше температуры Tg?

   Она плавится и вытекаетПереходит из твёрдого состояния в эластичное, резко растёт расширение по толщинеПерестаёт быть изолятором
2. 2. Какое основание выбрать для платы с мощными светодиодами?

   FR-1Стандартный FR-4Алюминиевое (MCPCB)Полиимид
3. 3. Что означает εr (Dk) материала?

   Температуру разложенияДиэлектрическую проницаемость: влияет на ёмкость и импеданс дорожекТолщину меди
4. 4. Максимальная рабочая температура устройства 105 °C. Какой минимальный Tg разумен?

   ≈ 105 °C≈ 125–135 °C≈ 250 °C

🎯Практическое задание~20 мин

Сравни два материала из каталога любого производителя ламинатов (например, стандартный FR-4 и high-Tg одной серии). Выпиши для каждого Tg, Td, CTE по Z (ниже и выше Tg), εr и Df на 1 ГГц. Под таблицей одной фразой ответь, для какого из проектов курса (мультивибратор, плата питания с LDO, плата с МК и USB) хватит обычного FR-4.