Umfassende vergleichende Analyse der Materialien G10 und FR4

G10 und FR4 gehören beide zu den Epoxid-Glasfaserlaminaten. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Materialien liegt in der Verwendung von flammhemmenden Formeln. Dieser Unterschied wirkt sich direkt auf die mechanischen Eigenschaften, die Feuerbeständigkeit, die Kosten, die Verarbeitungsmethoden und die Anwendungsszenarien aus. Dieser Artikel bietet einen vollständigen Vergleich in Bezug auf Materialeinführung, Klassifizierung, mechanische Eigenschaften, elektrische Eigenschaften, Feuerbeständigkeit, Verarbeitungstechnologie, Kosten, Anwendungen und Auswahl, der alle wichtigen Punkte für die Auswahl von technischen Materialien abdeckt.

Einführung in das Grundmaterial

1.1 G10

• G10 ist ein nicht flammhemmendes Epoxid-Glasfaserlaminat, das durch die NEMA-Normen definiert ist.
• Es wird aus Glasfasergewebe und reinem Epoxidharz hergestellt, das unter hoher Temperatur und hohem Druck gepresst wird.
• Hauptpositionierung: hochfestes Struktursubstrat, bei dem die Isolierung und die mechanische Festigkeit im Vordergrund stehen.
• Anwendbare Normen: NEMA LI-1, MIL-I-24768/27.
• Entflammbarkeitsklasse: UL94 HB, horizontale Verbrennung, nicht flammhemmend.

1.2 FR4

• FR4 ist eine flammhemmend ausgerüstete Version auf der Basis von G10, der Phosphor-Stickstoff-Flammschutzmittel hinzugefügt wurden, um die Brandschutzanforderungen zu erfüllen.
• Hauptanwendung: elektrische Isolierung und allgemeines Struktursubstrat, das wichtigste Material in der Elektronikindustrie.
• Anwendbare Normen: NEMA LI-1, IPC-4101, UL94 und andere Industrienormen.
• Entflammbarkeitsklasse: UL94 V-0, selbstverlöschend, wenn von der Zündquelle entfernt, kein Abtropfen während der Verbrennung.

Materialklassifizierung und Güteklassen

Gemeinsame G10-Klassifikationen

• Standard G10: allgemeiner hochfester Typ, nicht flammhemmend.
• G10/FR4: flammhemmend modifiziertes G10, das ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Feuerbeständigkeit bietet.
• G11: Verbesserter Hochtemperaturtyp, mit besserer Hitzebeständigkeit und Dimensionsstabilität.
• Farbiges G10: wird meist für Dekorationen oder Griffe verwendet und ist in verschiedenen Farben erhältlich.

Gemeinsame FR4-Klassifikationen

• Standard FR4: Tg ca. 130°C, für allgemeine Leiterplatten und Isolierteile.
• Medium Tg FR4: Tg ca. 150°C, geeignet für bleifreie Lötprozesse.
• High Tg FR4: Tg über 170°C, verwendet in Militär-, Automobil- und Hochleistungsgeräten.
• Halogenfreies FR4: umweltfreundlicher, raucharmer Typ, der hauptsächlich in der Medizin- und Automobilelektronik verwendet wird.
• Hochfrequenz-FR4 mit geringem Verlust: für Hochgeschwindigkeits-Signal- und Kommunikationsgeräte.

Vergleich der Kernleistung

3.1 Mechanische Eigenschaften

3.2 Feuerbeständigkeit und thermische Eigenschaften

• G10 hat keine flammhemmende Wirkung; es brennt kontinuierlich in offener Flamme und kann nicht in brandschutztechnisch erforderlichen Anwendungen eingesetzt werden.
• FR4 erfüllt die Anforderungen der UL94 V-0, die innerhalb von 10 Sekunden nach Verlassen der Zündquelle selbstverlöschend ist und die Sicherheitsstandards für elektronische und elektrische Produkte erfüllt.
• Die Langzeit-Betriebstemperatur für beide liegt bei 130-150°C; die Hoch-Tg-Versionen können 170°C überschreiten.

3.3 Elektrische Eigenschaften

• Durchschlagfestigkeit: beide sind 15-50 kV/mm, auf gleichem Niveau.
• Dielektrizitätskonstante: 4,2-4,8 bei 1MHz.
• Insgesamt weist FR4 eine beständigere elektrische Isolierung auf und eignet sich daher besser für Leiterplatten und isolierte Hochspannungskomponenten.

Zusammenfassung von Vorteilen und Nachteilen

Vorteile von G10

1. Höhere mechanische Festigkeit, bessere Biege- und Stoßfestigkeit.
2. Keine Flammschutzmittel, etwas bessere Wetterbeständigkeit und Wasserfestigkeit.
3. Vielfältige Farboptionen für optische Teile wie Dekoration und Griffe.
4. Reines Epoxidsystem, glattere Oberfläche nach der Verarbeitung.

Nachteile von G10

1. Nicht flammhemmend, kann nicht in brandschutztechnisch erforderlichen Anwendungen eingesetzt werden.
2. Weniger weit verbreitet als FR4, längere Vorlaufzeit für einige Spezifikationen.

Vorteile von FR4

1. Flammschutzklasse V-0, entspricht den weltweit geltenden Sicherheitsnormen, breiterer Anwendungsbereich.
2. Standardmaterial in der Elektronikindustrie, niedrigere Kosten und stabile Versorgung.
3. Komplettes Sortiment an Sorten für unterschiedliche Anforderungen: Normaltemperatur, Hochtemperatur, Hochfrequenz, halogenfrei.
4. Ausgereiftes PCB-Herstellungsverfahren, beste Kompatibilität beim Ätzen, Bohren und Laminieren.

Nachteile von FR4

1. Etwas geringere mechanische Festigkeit als G10 aufgrund von Flammschutzmitteln.
2. Geringfügig höhere Wasseraufnahme als reines G10 bei hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit.

Unterstützte Verarbeitungstechnologien und Vorsichtsmaßnahmen

G10 und FR4 haben ähnliche Verarbeitungseigenschaften; beide sind stark abrasiv und erfordern harte Schneidwerkzeuge.

Gemeinsame Verarbeitungstechnologien

• Schneiden: CNC-FräsenWasserstrahlschneiden, Laserschneiden; FR4 ist für die Laserbearbeitung besser geeignet.
• Bohren: Hochgeschwindigkeitsbohren mit Hartmetallbohrern, wobei der Schwerpunkt auf einer reibungslosen Spanabfuhr liegt.
• Fräsen: trocken oder mit minimalem Kühlmittel, um Delamination zu vermeiden.
• Schleifen: mit Schleifbändern oder Schleifscheiben; matte oder strukturierte Oberflächen verfügbar.
• Oberflächenbehandlung: Siebdruck, Lackierung, Verklebung; Epoxidkleber wird bevorzugt.

Vorsichtsmaßnahmen bei der Verarbeitung

1. Die Werkzeuge müssen hartmetall- oder diamantbeschichtet sein; Glasfaser verschleißt die Werkzeuge schnell.
2. Eine hohe Spindeldrehzahl und ein geringer Vorschub werden empfohlen, um Ausbrüche und Delamination zu vermeiden.
3. Kontrollieren Sie die Wärmeableitung, um eine Karbonisierung oder Delaminierung des Harzes durch Überhitzung zu vermeiden.
4. Glasfaserstaub ist gesundheitsschädlich; Staubabsaugung und Schutzausrüstung sind erforderlich.
5. FR4 besonderer Hinweis: Flammschutzmittel können bei hohen Temperaturen Spuren von Gasen freisetzen; beim Laserschneiden für Belüftung sorgen.
6. G10 besonderer Hinweis: nicht flammhemmend, vermeiden Sie den direkten Kontakt mit offenen Flammen oder Hochtemperaturschweißen.

Typische Anwendungsbereiche und Komponenten

G10 Anwendungen

• Strukturteile: Vorrichtungen für die Luft- und Raumfahrt, mechanische Dichtungen, Halterungen.
• Handwerkzeuge: Messergriffe, Griffe für Gartengeräte.
• Schiffsausrüstung: Schiffsteile, wasserdichte Isolierhalter.
• Sportgeräte: Skateboards, Modellbauteile.
• Isolierteile: Hochspannungsisolierdichtungen in nicht feuergefährdeten Bereichen.

FR4-Anwendungen

• Leiterplattensubstrate: Unterhaltungselektronik, industrielle Steuerungen, Automobilindustrie, Kommunikationsgeräte.
• Elektrische Isolierung: Motorschlitzkeile, Isolierung von Transformatoren, Isolatorschalter.
• Strukturelle Teile: Gerätetafeln, Wärmeableitungsdichtungen, Prüfvorrichtungen.
• Kfz-Elektronik: BMS-Isolierplatten, Lampenhalterungen.
• Neue Energie: Isolierung von Batteriepacks, Isolierplatten für Stromschienen.

Kostenvergleich

Plattenpreis (pro kg, Standarddicke 1-3mm)

• FR4: 4,6-5,0 USD/kg
• G10: 5,0-6,5 USD/kg
• Preisunterschied: G10 ist 10%-30% teurer als FR4

Verarbeitungskosten

• CNC- und Bohrkosten: für beide nahezu gleich.
• G10 verursacht etwas weniger Werkzeugverschleiß und eine bessere Verarbeitungsstabilität.
• In der Leiterplattenproduktion hat FR4 deutlich niedrigere Gesamtkosten und ausgereiftere Prozesse.

Auswahlhilfe

• Brandsicherheit erforderlich, für Leiterplatten oder elektrische Isolierung → FR4 wählen.
• Höhere Festigkeit, farbiges Aussehen, Unterwasser- oder nicht feuergeschützte Strukturen → wählen Sie G10.
• Begrenztes Budget, Massenproduktion → wählen Sie FR4.
• Strukturteile für Militär und Luft- und Raumfahrt, Griffe, verschleißfeste Teile → wählen Sie G10.

Schlussfolgerung

G10 und FR4 sind homologe und heterogene Epoxid-Glasfasermaterialien.

• G10 konzentriert sich auf die reine strukturelle Festigkeit: höhere Festigkeit, aber nicht flammhemmend.
• FR4 ist schwerpunktmäßig flammhemmend und vielseitig einsetzbar: Es erfüllt Sicherheitsnormen und bietet breitere Anwendungsmöglichkeiten.

G10 ist in Bezug auf die mechanische Leistung überlegen, während FR4 besser in Bezug auf Feuerbeständigkeit und elektrische Konformität ist. FR4 ist kostengünstiger, und die beiden Materialien sind ähnlich schwierig zu verarbeiten. Für die technische Auswahl wird empfohlen, die Flammwidrigkeit als erstes Kriterium heranzuziehen und dann die Wahl anhand der Anforderungen an die Festigkeit, das Budget und das Aussehen zu treffen.