FR4 có phải là vật liệu tốt nhất để gia công mạch PCB?

Trong ngành công nghiệp chế tạo mạch in, việc lựa chọn vật liệu của tấm nền có thể quyết định sự thành công hay thất bại cho thiết kế của bạn. Tấm nền FR4 đang được sử dụng rộng rãi nhờ độ bền cơ học tuyệt vời, khả năng cách điện, kháng nhiệt và các chất hóa học tốt. Trong bài viết này, Điện tử Hatakey sẽ cùng các bạn tìm hiểu về các đặc tính và ưu thế của tấm nền FR4, cũng như ứng dụng của nó trong sản xuất mạch in PCB. Bên cạnh đó, chúng tôi sẽ thảo luận một số hạn chế và đưa ra những lời khuyên hữu ích giúp bạn lựa chọn được vật liệu FR4 phù hợp nhất.

1. FR4 là gì?

FR4 là viết tắt của cụm từ tiếng Anh “Flame Retardant 4”. Nó có nghĩa là tấm nền FR4 có thể ngăn cản lửa cháy lan, từ đó đáp ứng được những tiêu chuẩn an toàn phòng cháy chữa cháy nhất định. Các thiết bị dùng FR4 được sử dụng rộng rãi để giải quyết các vấn đề về an toàn phòng cháy chữa cháy đối với các thiết bị điện, điện tử khi nó giúp tăng thêm độ an toàn cho các ứng dụng ở nơi dễ xảy ra cháy. FR4 có thành phần kết hợp giữa sợi thủy tinh và nhựa epoxy mang lại khả năng cách điện cao, độ bền cơ học lớn và khả năng bảo vệ cho các linh kiện điện tử trên mạch. FR4 được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau nhờ các đặc tính tốt và giá thành hợp lý. Chúng cung cấp khả năng cách điện và làm giảm nguy cơ xảy ra ngắn mạch, tăng độ ổn định trong quá trình truyền tín hiệu. FR4 có thể duy trì hình dạng trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau, phù hợp với vai trò “giá đỡ” cho các linh kiện điện tử trong mạch.

Hình 1. Cấu trúc của mạch PCB vật liệu FR4

2. Các đặc tính của phíp FR4

Những đặc tính nổi bật của FR4 khiến nó được sử dụng rộng rãi như ngày nay có thể kể đến như:

Chất điện môi tốt: FR4 có thể giúp hạn chế sự suy hao tín hiệu cũng như nhiễu tín hiệu giữa các mạch điện.
Khả năng chịu nhiệt: Vật liệu FR4 thông thường có thể chịu được nhiệt độ cao từ 130 – 140 độ, khiến nó được sử dụng trong các thiết bị hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao.
Khả năng kháng hóa chất: FR4 có khả năng kháng lại rất nhiều hóa chất bao gồm nhiều loại axit thường được sử dụng trong quá trình chế tạo thiết bị điện tử.
Khả năng chống cháy: đây là một đặc tính quan trọng giúp cho FR4 có thể chống lại sự đánh lửa cũng như ngăn cản sự lan truyền của lửa trong trường hợp xảy ra cháy. Đặc tính này đóng vai trò cốt lõi trong việc đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện tử.
Độ bền cơ học: Các sợi thủy tinh mang đến độ bền cơ học lớn giúp hạn chế sự cong vênh trong quá trình tích hợp các mạch điện tử.
Khả năng cách điện: FR4 có khả năng cách điện lý tưởng, được sử dụng để ngăn cách các phần tử dẫn điện trong mạch.
Khả năng gia công: Các tấm FR4 có thể dễ dàng được khoan, gia công, ăn mòn để tạo ra các thiết kế mạch in phức tạp.
Khả năng tương thích: Các tấm nền FR4 phù hợp với hầu hết các quy trinh sản xuất mạch in thông thường như khoan, hàn, mạ và gắn các linh kiện điện tử.
Độ ổn định hình dạng: FR4 có khả năng giữ ổn định hình dạng trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt khác nhau như độ ẩm cao, biên độ nhiệt lớn.
Tính sẵn có: Các tấm nền FR4 luôn sẵn có trên thị trường và có thể dễ dàng đặt mua qua mạng.
Tính dẫn nhiệt: FR4 có thể góp phần phân tán một phần nhiệt lượng tạo ra bởi các linh kiện điện tử trên mạch.
Thân thiện với môi trường: nhờ khả năng kháng lửa và có độ bền cao, FR4 được coi là vật liệu thân thiện với môi trường.

Hình 2. Bo mạch 4 lớp sử dụng vật liệu FR4

3. Ứng dụng vật liệu FR4 trong sản xuất mạch in

Hình 3. Quy trình gia công mạch PCB nhiều lớp vật liệu FR4 tiêu chuẩn công nghiệp

Thông thường quy trình gia công ở các nhà máy sản xuất mạch in PCB sử dụng vật liệu FR4 có thể khác nhau phụ thuộc vào trình độ sản xuất cũng như công nghệ và thiết bị sử dụng nhưng nhìn chung sẽ gồm các bước chính sau:

Chuẩn bị file sản xuất: Thông thường các thiết kế mạch PCB sau khi hoàn thiện được chuyển qua bộ phận sản xuất (nhà máy) dưới dạng file gia công định dạng Gerber và file lỗ khoan (drill). Các file này chứa thông tin về hình ảnh các lớp của bo mạch, vị trí mạ, tọa độ lỗ khoan… Kỹ thuật bên nhà máy sản xuất sẽ có nhiệm vụ kiểm tra các file sản xuất, đồng thời so sánh với các tiêu chuẩn gia công của các thiết bị trong nhà máy để đảm bảo quá trình gia công được diễn ra thuận lợi, chính xác, và theo đúng yêu cầu thiết kế cảu khách hàng.

Hình 4. Kiểm tra file Gerber trước khi gia công

Chuẩn bị vật liệu: Dựa trên các yêu cầu về độ dày và các đặc điểm kỹ thuật khác của thiết kế như khả năng chịu nhiệt… mà các tấm vật liệu FR4, các tấm đồng thích hợp sẽ được lựa chọn để sản xuất. Các lớp đồng được thêm vào tấm nền FR4 nhằm cung cấp khả năng dẫn điện, từ đó giúp mạch in PCB có khả năng truyền tải năng lượng và tín hiệu điện giữa các linh kiện. Các tấm vật liệu này sau đó sẽ được cắt thành các tấm kích thước phù hợp với thiết bị, được làm sạch và xử lý để tăng độ kết dính.

Hình 5. Cắt chuẩn bị các tấm vật liệu trước khi sản xuất

Chuyển thiết kế mạch PCB lên lớp đồng: Sau khi các lớp đồng được thêm vào, hình ảnh các lớp của bo mạch sẽ được chuyển lên lớp đồng của tấm vật liệu nhờ phim cảm quang dưới tác dụng của tia cực tím (UV).
Ăn mòn: Phần kim loại đồng không cần thiết cho thiết kế sẽ được loại bỏ bằng phương pháp ăn mòn.

Hình 6. Quá trình gia công mạch PCB bằng phương pháp ăn mòn

Gia công cơ khí: Các tấm vật liệu sau đó sẽ được xếp chồng rồi ép lại với nhau trong đó các lớp vật liệu nền cách điện nằm giữa, các lớp đồng được thêm vào ở mặt trên và dưới. Các tấm này được ép chặt lại dưới tác dụng của nhiệt độ cao (~375 degrees Fahrenheit) và áp suất (275-400 psi). Các lỗ sẽ được khoan trên mạch để tạo liên kết giữa các lớp của mạch in. Các lỗ này sẽ được mạ một lớp đồng mỏng để có thể dẫn điện và tạo vị trí hàn linh kiện. Một lớp vật liệu cách điện sẽ được phủ lên trên lớp đồng tại các vị trí cần được bảo vệ khỏi sự oxy hóa cũng như cần cách điện.

Hình 7. Ép các tấm vật liệu

Mạ hoàn thiện bề mặt: Mạch in sẽ được xử lý mạ bề mặt tại các vị trí cần hàn linh kiện để chống lại sự oxy hóa, giúp quá trình hàn linh kiện trở nên dễ dàng hơn.
In lớp chữ: Logo hay các thông tin quan trọng khác như tên, vị trí, chiều linh kiện… sẽ được in lên bề mặt của mạch in, phương pháp phổ biến nhất được sử dụng là in lụa.
Kiểm tra: Các mạch in sau khi được chế tạo sẽ trải quá một loạt bài kiểm tra khác nhau để đảm bảo chất lượng, tính năng cũng như sự ổn định khi hoạt động.

Trên đây là các bước chính để chế tạo mạch in. Một điểm cần lưu ý là không có một quy trình cố định cho tất cả các loại mạch in, các nhà sản xuất khác nhau có thể áp dụng các quy trình khác nhau cho các loại mạch in khác nhau.

4. Khi nào vật liệu FR4 không phù hợp cho bo mạch của bạn?

Một câu hỏi có thể xuất hiện trong đầu bạn đó là “khi nào thì FR4 không phù hợp cho thiết bị của tôi?” hoặc “Có lựa chọn nào tốt hơn cho thiết kế mạch của tôi không?”. Qua những gì đã trình bày, chúng ta chỉ đề cập đến những lợi ích của FR4, vậy đâu sẽ là hạn chế?

Hình 8. Các loại vật liệu cho gia công mạch PCB

Dưới đây là một số lý do phíp FR4 có thể không phải là sự lựa chọn tốt nhất của bạn:

Môi trường hoạt động khắc nghiệt: FR4 là vật liệu có khả năng chịu được nhiệt độ cao, chống lại một số loại hóa chất. Tuy nhiên khi môi trường hoạt động khắc nghiệt như tiếp xúc với hóa chất có khả năng ăn mòn, nó sẽ không đáp ứng được yêu cầu của bạn. Khi đó, bạn sẽ cần tìm một vật liệu khác để thay thế.
Tần số hoạt động cao: FR4 không phù hợp cho các thiết bị có tần số hoạt động rất cao, hoặc dải tần số vi sóng. Đối với các ứng dụng cao tần, tấm nền bằng gốm (ceramic) như Roger sẽ là lựa chọn phù hợp hơn.
Nhiệt độ cao: với ngưỡng nhiệt độ hoạt động quá cao, FR4 sẽ không thể đáp ứng được.
Thiết kế mỏng: tấm nền FR4 không phù hợp trong các thiết kế rất mỏng hoặc kích thước rất nhỏ, khi đó mạch in dạng dẻo FPC sẽ phù hợp hơn.

Trên đây là một số lý do có thể khiến FR4 không phù hợp với thiết kế của bạn. Tất nhiên, mọi thứ đều phụ thuộc vào người thiết kế mạch cũng như các yêu cầu ràng buộc về mặt kỹ thuật. Các tiêu chí kỹ thuật khác nhau cũng có thể khiến cho việc sử dụng FR4 trở nên không thích hợp.

5. Những lời khuyên hữu ích để lựa chọn vật liệu gia công mạch PCB phù hợp

Độ dày: Việc xác định yêu cầu thiết kế để đạt được một mạch in có độ bền cao hay thiết kế nhỏ gọn sẽ quyết định đến độ dày/mỏng của tấm nền FR4
Nhiệt độ chuyển pha của thủy tinh: Đây là điểm nhiệt độ mà vật liệu sợi thủy tinh trong tấm nền bắt đầu chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái dẻo. Bạn nên chọn tấm nền có nhiệt độ chuyển pha đủ cao nhằm hạn chế các vấn đề trong quá trình sử dụng.
Độ dày lớp đồng: Độ dày lớp đồng có thể quyết định khả năng chịu tải của đường mạch. Lớp đồng dày hơn mang lại khả năng dẫn điện tốt hơn tuy nhiên sẽ làm tăng chi phí chế tạo mạch. Bạn cần cân nhắc để lựa chọn độ dày lớp đồng phù hợp với từng dự án.
Khả năng chống cháy: Bạn có thể lựa chọn loại tấm nền FR4 có thể đáp ứng được các chỉ tiêu an toàn theo tiêu chuẩn công nghiệp.
Chi phí: Bạn cần cân nhắc lựa chọn loại vật liệu có chi phí phù hợp mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu thiết kế.
Hỗ trợ từ nhà cung cấp: Để chác chắn hơn hãy trao đổi với nhà cung cấp hoặc nhà máy sản xuất… để đảm bảo loại vật liệu bạn chọn phù hợp với yêu cầu về thiết kế cho bo mạch cảu bạn. Bạn có thể tham khảo thông số kỹ thuật của phíp FR4 cung cấp bởi một số nhà sản xuất uy tín như: Isola, Shengyi, Nanya,…

6. Kết luận

Tổng kết lại, tấm nền FR4 là một lựa chọn tuyệt vời cho việc chế tạo mạch in, nó mang lại khả năng hoạt động ổn định, tin cậy với giá thành hợp lý. Các đặc tính của FR4 có thể kể đến như các điện tốt, kháng hóa chất, chống cháy, độ bền cơ học cao và độ ổn định hình dạng khiến nó trở thành vật liệu không thể thiếu trong công nghiệp. Tuy nhiên, bạn cần cân nhắc các hạn chế của FR4 khi ứng dụng trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt liên quan đến hóa chất, nhiệt độ cao, lớp mạch in mỏng và đàn hồi để có thể lựa chọn vật liệu phù hợp hơn. Áp dụng những lời khuyên hữu ích của chúng tôi về lựa chọn độ dày, nhiệt độ chuyển pha của thủy tinh, độ dày lớp đồng, khả năng chống cháy, giá thành và hỗ trợ từ nhà cung cấp, bạn có thể tận dụng tối đa khả năng của FR4 để tạo ra các sản phẩm mạch in có chất lượng cao nhất.

Tuy nhiên, trong trường hợp bạn chưa rõ hoặc cần một đơn vị uy tín để hỗ trợ gia công mạch PCB bạn có thể liên hệ ngay với Điện tử Hatakey để được tư vấn và báo giá:

Xin chân thành cảm ơn!