Ii. Propriedades principais das hastes de fibra de vidro FR4
O desempenho das hastes de fibra de vidro FR4 é determinado por sua estrutura composta de "fibra de vidro + resina epóxi". Essas propriedades principais podem ser categorizadas em quatro categorias principais: propriedades físicas, mecânicas, químicas e de processo.
1. Propriedades físicas
• Excelente isolamento elétrico: a resina epóxi em si é um material altamente isolante (resistividade de volume ≥ 10¹⁴Ω · cm). A fibra de vidro é não condutora e os blocos são transferidos na interface com a resina. Portanto, a tensão de ruptura das hastes FR4 é ≥ 15kV/mm (com uma espessura de 1 mm), tornando-as adequadas para aplicações de alta tensão ou alta frequência.
• Densidade moderada: aproximadamente 2,0g/cm³, alcançando um equilíbrio entre a resistência mecânica e os requisitos leves.
• Classificação da resistência à temperatura: Com base na temperatura de transição vítrea (TG) da resina epóxi, as hastes FR4 são classificadas da seguinte forma:
Convencional (TG ≈ 130-140 ° C): temperatura de operação a longo prazo ≤ 120 ° C, resistência a curto prazo a 150 ° C;
Médio (Tg ≈ 150-170 ° C): temperatura operacional a longo prazo ≤ 140 ° C, resistência a curto prazo a 180 ° C;
Alta (Tg> 180 ° C): temperatura de operação a longo prazo ≤ 160 ° C, resistência a curto prazo a 200 ° C (por exemplo, bandejas de solda de ondas requerem resistência a 260 ° C de solda).
2. Propriedades mecânicas
• Resistência à alta resistência e fadiga: a fibra de vidro possui uma resistência à tração superior a 3000 MPa, enquanto a resina epóxi transfere carrega uniformemente para a fibra através da ligação interfacial, resultando em hastes FR4 com uma força flexural de 500 a 800 MPa e uma resistência à tração de 300-400 MPa. Além disso, a resistência da fibra de vidro absorve alguma energia de impacto, resultando em alta resistência à fadiga.
• Artleza: a fibra de vidro é inerentemente dura e quebradiça. Embora a resina epóxi tenha um certo grau de resistência, o material geral é suscetível à delaminação ou fratura (alongamento no intervalo <2%) quando sujeito a impacto acentuado ou cisalhamento transversal. Entalhes nítidos e cargas de impacto dinâmico devem ser evitadas.
• Estabilidade de alta dimensão: o coeficiente de expansão térmica (CTE) da fibra de vidro é de aproximadamente 6-10 ppm/° C, enquanto a da resina epóxi é de aproximadamente 50-60 ppm/° C. O CTE composto resultante é de aproximadamente 10-15 ppm/° C (muito menor que o de metal e plástico), resultando em deformação mínima nas flutuações de temperatura (por exemplo, -40 ° C a 150 ° C).
3. Propriedades químicas
• Resistência química: A resina epóxi exibe excelente resistência a ácidos não oxidantes (por exemplo, ácido clorídrico, ácido sulfúrico diluído), bases fracas (por exemplo, hidróxido de sódio) e a maioria dos solventes orgânicos (por exemplo, álcool, acetona, gasolina). Sua superfície não é suscetível à corrosão ou inchaço (nenhuma mudança significativa de peso após a imersão a longo prazo). No entanto, é sensível a fortes ácidos oxidantes (por exemplo, ácido nítrico concentrado, ácido sulfúrico concentrado) e solventes altamente polares (por exemplo, dimetilsulfóxido) e devem ser evitados.
• Retardância da chama: a designação "retardador de chama 4" no FR4 indica que atende ao padrão de retardância da chama UL94 V-0 (extinguir dentro de 3 segundos após a exposição à chama, sem pingos). Os retardadores de chama baseados em bromo ou baseados em fósforo na resina epóxi são os principais contribuintes, tornando-o adequado para aplicações que requerem proteção contra incêndio, como aparelhos eletrônicos.
4. Características de processamento
• Alta usinabilidade: as hastes FR4 podem ser formadas em formas complexas por meio de processos convencionais de usinagem, como girar, fresar, perfurar e retirar (são necessárias ferramentas especializadas), alcançando as rugosidades da superfície de AR 0,8μm ou menos (usinagem de precisão).
• Alta estabilidade térmica: o calor gerado durante a usinagem é efetivamente dissipado pelo fluido de corte solúvel em água, impedindo o amolecimento da resina ou a ablação devido a altas temperaturas localizadas (é necessário o controle da velocidade de corte e da taxa de alimentação).
Iii. Vantagens principais das hastes de fibra de vidro FR4
As vantagens das hastes de fibra de vidro FR4 decorrem de seu desempenho abrangente de "isolamento, força, resistência à temperatura e estabilidade", particularmente nos setores eletrônicos e industriais:
1. Alto isolamento e segurança:
A resistividade do volume e a tensão de quebra das hastes FR4 excedem em muito as dos plásticos comuns. Eles podem manter o isolamento mesmo em ambientes de alta tensão (por exemplo, acima de 10kV) ou de alta frequência (por exemplo, microondas), eliminando riscos como vazamento e arco.
2. Resistência à alta resistência e fadiga:
A resistência à flexão das hastes FR4 (500-800MPA) é próxima da das ligas de alumínio, e sua força de tração é mais de 10 vezes a dos plásticos comuns. Sua densidade é apenas dois terços da das ligas de alumínio. Em aplicações que exigem força leve e alta, sua proporção de força / densidade ultrapassa a da maioria dos plásticos de engenharia, mesmo se aproximando da de algumas ligas de alumínio. Além disso, sua resistência à fadiga os torna adequados para componentes industriais sujeitos a movimento recíproco a longo prazo.
3. Resistência à temperatura e estabilidade dimensional:
A versão de TG alta da haste FR4 pode suportar temperaturas de curto prazo superiores a 200 ° C, enquanto a versão convencional também pode operar de maneira estável a 120 ° C por períodos prolongados, superando plásticos comuns. Além disso, seu baixo CTE minimiza a deformação sob flutuações de temperatura, garantindo um ajuste preciso com componentes eletrônicos e estruturas mecânicas (por exemplo, impedindo o deslocamento do chip devido à expansão em acessórios de PCB).
4. Resistência a produtos químicos e equilíbrio de custo:
A haste FR4 exibe resistência superior à corrosão a ácidos não oxidantes, bases fracas e solventes orgânicos a metais e plásticos comuns, tornando-a adequada para uso em ambientes corrosivos, como bomba química e vedantes de válvula e cabides eletroplativos. Além disso, seu custo de matéria-prima é significativamente menor que o dos plásticos e metais de engenharia de alto desempenho, oferecendo uma excelente relação custo-benefício geral.
5. Processamento maduro e flexibilidade de design:
A tecnologia de processamento para a haste FR4 é altamente madura. Usando ferramentas especializadas, a usinagem de alta precisão (tolerância ± 0,05 mm) é alcançada, tornando-a adequada para a produção em massa em linhas de produção automatizadas. Além disso, o método de tecelagem do pano de fibra de vidro (como pano unidirecional, pano simples) e a fórmula de resina epóxi (como adicionar enchimentos) podem ser personalizados para atender às necessidades personalizadas de força, resistência à temperatura ou isolamento em diferentes cenários.
Ⅳ. Resumo
A haste de fibra de vidro FR4 é um material de haste de alto desempenho composto por um composto de fibra de vidro e resina epóxi. Suas propriedades centrais incluem alto isolamento, fortes propriedades mecânicas, resistência ao calor, estabilidade dimensional e resistência à corrosão. Suas vantagens estão na segurança de isolamento de aparelhos eletrônicos, na força estrutural dos equipamentos industriais, na adaptabilidade a ambientes severos e um equilíbrio entre custo e processo. Apesar de suas limitações de maior fragilidade e densidade um pouco mais alta, seu desempenho abrangente o torna um dos materiais básicos mais usados para "integração estrutural de isolamento" nos setores eletrônicos, industriais e automotivos.
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