Die Entwicklung von FR-4
2021-08-30
Als Gene Roddenberry in einer Ecke der Vereinigten Staaten „Star Trek“ schrieb, untersuchte eine Gruppe von Ingenieuren ein weniger gefährliches Projekt, aber dieses Projekt hat einen Durchbruch erzielt und beeinflusst bis heute die Terminologie der Leiterplattenindustrie.
Der Ingenieur organisiert die National Electrical Manufacturers Association, bekannt als NEMA. In der Leiterplattenindustrie ist der Vertreter des Verbandes die technische Spezifikation „L1“. „Star Trek“ fügt Begriffe wie „Photonenfisch“ und „Doppel-Lithiumlegierung“ und „Kurvenmaschine“ für Menschen hinzu, und NEMA schafft G-10, FR-4-Blatt und FR-5 sowie andere Begriffe für die Leiterplattenindustrie. „FR“ ist ein als „flammhemmend“ bezeichnetes Material, das mit dem roten Herstellerlogo gekennzeichnet ist. Zu dieser Zeit wurden zur Herstellung von Leiterplatten ausschließlich papierverstärkte Materialien verwendet. Ab den frühen 1960er Jahren definierten der Übergang zu glasverstärktem PCB-Material und NEMA die relevanten Konzepte in diesem Prozess neu und wurden zu einer branchenspezifischen Terminologie
Die Entwicklung des PCB-Substrats wird zwangsläufig zu Änderungen in der Leistungsklassifizierung führen. NEMA wird nach den physikalischen Eigenschaften der grundlegenden chemischen Zusammensetzung je nach Material klassifiziert. Beispielsweise hat die Industrie nach der Glasumwandlungstemperatur (Tg) klassifiziert und im Allgemeinen „Standard“-, „mittlere“ und „hohe“ TG-Substrate verwendet, sodass viele PCB-Designer und -Anwender davon ausgehen, dass der TG-Wert und die Hitzebeständigkeit des Substrats wichtig sind stehen in direkter Beziehung und spezifizieren Produkte mit „hohem TG“ für Anwendungen mit hohem Wärmebedarf. Ich dachte an das Sprichwort von Spock: „Unzureichende Fakten sind immer sehr risikoanfällig.“
Der TG-Wert ist nur die Phasenänderung in der chemischen Zusammensetzung des Harzes, und es wird ausreichend Energie (Temperatur) erhalten, um den Rotationsfreiheitsgrad des Polymers zu erhöhen, sodass es vom Glaszustand in einen Gummizustand übergeht. Wenn Sie weiterhin Energie zuführen, ist der nächste Übergang TM oder eine Schmelztemperatur. Die duroplastischen Kunststoffe haben unerwarteten Anklang gefunden. Theoretisch gibt es TM, aber das duroplastische Harz ist höher als die thermische Zersetzungstemperatur TD, so dass das duroplastische Material niemals TM erreichen wird, d. Gas. TG und TD haben keine direkte Korrelation.
Um die thermische Leistung zu bestimmen, muss das Material vollständig geändert werden, um alle mit der Endanwendung verbundenen Eigenschaften zu berücksichtigen. Dies bedeutet, dass sich die Klassifizierung ändert. Nur das „High TG“-Substrat reicht nicht aus, sondern spezifiziert auch die entsprechende Leistung entsprechend der Anwendung, einschließlich TG, TM, hierarchischer Zeit, z-Achsen-Wärmeausdehnungskoeffizient und Wärmeleitfähigkeit, um das Substrat, das auf das aufgebracht wird, vollständig zu charakterisieren Empfängerverwaltung.
Ab „Star Trek“ werden wir nach und nach auf Pulskraft verzichten. Es ist ein bisschen falsch. Der erste Job nach dem Abschluss an unserer Hochschule ist in einem Forschungslabor. Zu den Arbeitsinhalten gehörte damals eine räumliche Impulsmaschine zur „Verzerrungsgeschwindigkeit“. Ich sage auf jeden Fall, dass die Übertragungsrate von Signalen und Daten immer weiter erhöht wird. James Montgomery Scott (Scotty) hat ein berühmtes Sprichwort: „Ich kann das physikalische Gesetz nicht ändern.“ Wie wir sehen, ist das, was er gesagt hat, richtig, aber wir können tatsächlich physikalische Gesetze erforschen.
Die Leiterplatte in den 1960er Jahren ist viel einfacher. Zu dieser Zeit betrug die Referenzfrequenz 1 MHz, und die Schaltung bestand hauptsächlich aus analogen Geräten und erforderte selten eine Rechteckwellenform, sodass die theoretische Bandbreite unendlich wurde. Der bisherige Hochfrequenzbereich kann in zwei Bandbreiten unterteilt werden – FR-4 kann mit Bandbreite verwendet werden und kann nicht verwendet werden. Wenn Sie auf den Fall stoßen, dass FR-4 nicht verwendet werden kann, können die meisten Designer nur Herausforderungen wählen – indem sie die einzigartige Auswahl an PTFE verwenden, aber sobald PTFE verwendet wird, sind die Kosten hoch und das Angebot begrenzt.
Als Kapitän James T. Kirk im Simulationstraining von Xiaolin Pill auf den Klindong traf, geriet er in eine herausfordernde Situation und entschied sich schließlich für Betrug. Die Schaltkreisdesigner von heute haben wirklich Glück, sie müssen nicht schummeln, denn die Lücken zwischen FR-4 und PTFE in Bezug auf Leistung und Kosten wurden durch viele neue Serien von Substratmaterialien gefüllt, diese Materialien weisen bei Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen unterschiedliche Leistungen auf . . Eine neue Generation von Materialien macht den Designer bei der Auswahl eines Substrats flexibler, nicht weil es notwendig ist, die Gesamtleistung oder hohe Kosten zu erfüllen.
Der FR-4 selbst hat einen sehr großen Fortschritt gemacht. Ursprünglich hatte FR-4 nur eine Ebene, und das heutige FR-4 deckt unterschiedliche Natur und chemische Zusammensetzung ab. Neuere FR-4-Materialien wurden auch in FR-4.0 und FR-4.1 (entsprechend bromierten Flammschutzmitteln und bromhaltigen Flammschutzmitteln) unterteilt, da die Menschen erkannten, dass alle FR-4-Materialien gleich waren und die durch eine Variante erzielte Wirkung erzielt wurde repräsentiert keine anderen Varianten mehr. „Jim, das ist FR-4, aber der FR-4, den wir kennen!“
Trotz der großen Veränderungen in der Leiterplattenindustrie in den letzten Jahren hoffe ich, dass Sie wie ich aktiv zukünftige Materiallösungen finden und entwickeln. Ich hoffe, dass wir auf der Reise, in der wir nicht in eine vorzeitige Situation geraten, wohlhabend leben werden.
