El proceso de producción de FR4 implica principalmente tres pasos principales: impregnación de resina, preparación de preimpregnados y laminación.
1. Pretratamiento de la tela de fibra de vidrio: Se realiza un tratamiento superficial (como un recubrimiento de agente de acoplamiento) en la tela de fibra de vidrio tipo E para mejorar su adhesión a la resina.
2. Impregnación y secado de resina (formación de prepreg): la tela de fibra de vidrio se sumerge en una solución de resina epoxi (aproximadamente 35%-50% de contenido de resina). El secado con aire caliente o infrarrojos (120-180°C) elimina el disolvente y reticula parcialmente la resina, formando un preimpregnado (etapa B, soluble y fusible).
3. Laminación y prensado en caliente: se apilan alternativamente varias hojas preimpregnadas (generalmente de 1 a 12 capas) y se colocan en una prensa en caliente. La resina está completamente reticulada y cura (etapa C) a altas temperaturas (170-200°C) y altas presiones (3-7 MPa), lo que da como resultado un laminado denso. Luego, el laminado se corta al tamaño deseado y se trata la superficie para mejorar el rendimiento del procesamiento posterior.
III. Características y ventajas del FR4
FR4, con su estructura compuesta de "resina + fibra de vidrio", posee las siguientes propiedades fundamentales:
1. Rendimiento eléctrico
• Alto aislamiento: Resistividad de volumen >10¹⁴Ω·cm, tensión de ruptura >30kV/mm, adecuado para aplicaciones de alta tensión.
• Baja pérdida dieléctrica: constante dieléctrica (Dk) de aproximadamente 4,2 a 4,8 (1 GHz), factor de disipación (Df) de aproximadamente 0,008 a 0,015 (1 GHz), lo que cumple con los requisitos de la mayoría de los circuitos de alta frecuencia.
2. Rendimiento mecánico
• Alta resistencia: Resistencia a la tracción ≥300MPa, resistencia a la flexión ≥500MPa (superior a los plásticos comunes).
• Resistencia a la fatiga: Rendimiento estable bajo estrés a largo plazo, adecuado para escenarios de carga dinámica.
3. Rendimiento térmico
• Resistencia al calor: la temperatura de transición vítrea (Tg) suele ser de 130 a 180 °C (el FR4 convencional es de aproximadamente 135 °C, el FR4 de alta Tg puede alcanzar más de 180 °C), con una resistencia a la temperatura a corto plazo de 200 a 260 °C.
• Baja expansión térmica: El coeficiente de expansión térmica (CTE) es de aproximadamente 12-18 ppm/°C (más bajo en la dirección del eje Z).
4. Otras ventajas
• Retardante de llama: Se autoextingue sin necesidad de recubrimiento retardante de llama adicional.
• Resistencia química: Resistente a ácidos, álcalis y solventes orgánicos (excepto ácido nítrico concentrado y álcalis fuertes), con excelente resistencia a la intemperie.
• Procesabilidad: Fácil de cortar, taladrar y galvanizar, adecuado para producción industrial a gran escala.
• Rentabilidad: Al ofrecer un rendimiento general equilibrado, el precio es significativamente más bajo que el de sustratos de alta gama como la cerámica y la poliimida (PI), lo que ofrece una excelente relación calidad-precio.
Ⅳ. Aplicación de la lámina de fibra de vidrio FR4
1. Equipos eléctricos y de potencia
Aplicaciones principales: aislamiento de piezas estructurales
• Soportes aislantes para motores, transformadores, inversores y otros equipos: como cuñas ranuradas (para asegurar los devanados), arandelas aislantes (para aislar componentes de alto y bajo voltaje) y bobinas (para bobinar conductores).
• Aislamiento de Equipos de Alta Tensión: Tabiques para aparamenta de alta tensión, campanas extintoras de arco para disyuntores y tirantes aislantes (una alternativa más ligera y resistente a impactos que la cerámica tradicional).
2. Equipos y Maquinaria Industrial
Aplicaciones principales: soporte estructural y piezas protectoras
• Carcasas/soportes de equipos: por ejemplo, cajas de control industriales, carcasas de inversores y paneles de operación de equipos de automatización (requiere aislamiento y resistencia a las vibraciones).
• Piezas guía/resistentes al desgaste: debido a su refuerzo de fibra de vidrio, se puede procesar en rieles guía y placas resistentes al desgaste (como almohadillas deslizantes de prensa), que son más resistentes a los rayones que los plásticos comunes.
3. Electrónica y componentes automotrices
Aplicaciones principales: soportes para componentes electrónicos de vehículos
• Placas de circuitos, módulos de sensores y placas de circuitos del cargador a bordo (OBC) de ECU (unidad de control electrónico) de automóviles.
• Aplicaciones de alta temperatura: componentes de aislamiento del sistema de encendido en el compartimiento del motor, tableros de controlador de faros LED (requiere resistencia a temperaturas superiores a 125°C, adecuado para FR4 de alta Tg).
4. Electrodomésticos y bienes de consumo cotidianos
Aplicaciones principales: Aislamiento miniaturizado y componentes estructurales.
• Tableros de control de electrodomésticos: Tableros base para controles remotos de aires acondicionados, tableros de computadoras para lavadoras y paneles operativos de hornos microondas.
• Pequeños componentes aislantes: Tapas aislantes para interruptores de herramientas eléctricas (taladro eléctrico) y soportes aislantes para termostatos de hervidores eléctricos.
5. Aplicaciones especiales
• Alta frecuencia: El FR4 modificado se utiliza en sustratos de antena 5G y dispositivos de RF.
• Resistencia a la Corrosión Química: Revestimientos anticorrosión para equipos químicos.
La lámina de fibra de vidrio FR4, con su estructura compuesta de "refuerzo de fibra de vidrio + resina epoxi", ofrece un excelente equilibrio de propiedades integrales (aislamiento, resistencia y resistencia al calor) que cubren prácticamente todas las aplicaciones que requieren propiedades livianas, aislantes y duraderas. Las aplicaciones típicas van desde dispositivos electrónicos sofisticados (como PCB de teléfonos móviles) hasta maquinaria industrial pesada (como componentes de aislamiento de motores), desde equipos eléctricos de alto voltaje hasta electrodomésticos cotidianos. Con los avances tecnológicos, las láminas FR4 modificadas con propiedades de alta Tg y baja Dk están ampliando continuamente su aplicación en campos de vanguardia como 5G y electrónica automotriz.
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