Análisis comparativo exhaustivo de los materiales G10 frente a FR4

G10 vs FR4 pertenecen ambos a los laminados de fibra de vidrio epoxi. La principal diferencia entre ambos materiales radica en el uso de fórmulas ignífugas. Esta diferencia afecta directamente a las propiedades mecánicas, los índices de resistencia al fuego, los costes, los métodos de procesamiento y los escenarios de aplicación. Este artículo ofrece una comparación completa en términos de introducción del material, clasificación, propiedades mecánicas, propiedades eléctricas, resistencia al fuego, tecnología de procesamiento, coste, aplicaciones y selección, cubriendo todos los puntos clave para la selección de materiales de ingeniería.

Material básico Introducción

1.1 G10

• G10 es un laminado de fibra de vidrio epoxi no ignífugo definido por las normas NEMA.
• Está hecho de tela de fibra de vidrio y resina epoxi pura prensada a alta temperatura y alta presión.
• Posicionamiento principal: sustrato estructural de alta resistencia, priorizando el aislamiento y la resistencia mecánica.
• Normas aplicables: NEMA LI-1, MIL-I-24768/27.
• Grado de inflamabilidad: UL94 HB, combustión horizontal, no ignífugo.

1.2 FR4

• FR4 es una versión mejorada ignífuga basada en G10, con retardantes de llama de fósforo-nitrógeno añadidos para cumplir las especificaciones de seguridad contra incendios.
• Posicionamiento principal: aislamiento eléctrico y sustrato estructural general, el material principal en la industria electrónica.
• Normas aplicables: NEMA LI-1, IPC-4101, UL94 y otras normas industriales.
• Grado de inflamabilidad: UL94 V-0, autoextinguible cuando se aleja de la fuente de ignición, no gotea durante la combustión.

Clasificación y grados de los materiales

Clasificaciones comunes del G10

• Estándar G10: tipo general de alta resistencia, no ignífugo.
• G10/FR4: G10 modificado ignífugo, que equilibra fuerza y resistencia al fuego.
• G11: tipo mejorado para altas temperaturas, con mejor resistencia al calor y estabilidad dimensional.
• G10 coloreado: se utiliza sobre todo para decoración o asas, disponible en varios colores.

Clasificaciones comunes de FR4

• FR4 estándar: Tg aprox. 130°C, para placas de circuito impreso en general y piezas aislantes.
• Tg media FR4: Tg aprox. 150°C, adecuada para procesos de soldadura sin plomo.
• FR4 de alta Tg: Tg superior a 170°C, utilizado en equipos militares, de automoción y de alta potencia.
• FR4 sin halógenos: tipo ecológico de baja emisión de humos, utilizado sobre todo en electrónica médica y de automoción.
• FR4 de alta frecuencia y bajas pérdidas: para equipos de señalización y comunicación de alta velocidad.

Comparación del rendimiento del núcleo

3.1 Propiedades mecánicas

3.2 Resistencia al fuego y propiedades térmicas

• El G10 no tiene efecto ignífugo; arde continuamente en llama abierta y no puede utilizarse en aplicaciones que requieran protección contra el fuego.
• FR4 cumple la clasificación UL94 V-0, autoextinguible en 10 segundos tras abandonar la fuente de ignición, cumpliendo las normas de seguridad para productos electrónicos y eléctricos.
• La temperatura de funcionamiento a largo plazo para ambas es de 130-150°C; las versiones de alta Tg pueden superar los 170°C.

3.3 Propiedades eléctricas

• Rigidez dieléctrica: ambas son de 15-50 kV/mm, al mismo nivel.
• Constante dieléctrica: 4,2-4,8 a 1MHz.
• En general, el FR4 tiene un aislamiento eléctrico más consistente, por lo que es más adecuado para placas de circuito impreso y componentes aislantes de alta tensión.

Resumen de ventajas e inconvenientes

Ventajas del G10

1. Mayor resistencia mecánica, mejor resistencia a la flexión y al impacto.
2. Sin retardantes de llama, ligeramente mejor resistencia a la intemperie y al agua.
3. Amplias opciones de color para las piezas decorativas, como la decoración y las asas.
4. Sistema epoxi puro, superficie más lisa tras el procesamiento.

Desventajas del G10

1. No ignífugo, no puede utilizarse en aplicaciones que requieran protección contra incendios.
2. Menos suministrado que el FR4, plazo de entrega más largo para algunas especificaciones.

Ventajas de FR4

1. Clasificación de llama V-0, cumple las principales normas de seguridad mundiales, mayor campo de aplicación.
2. Material estándar en la industria electrónica, menor coste y suministro estable.
3. Gama completa de calidades para diferentes necesidades: temperatura normal, alta temperatura, alta frecuencia, sin halógenos.
4. Proceso maduro de fabricación de PCB, mejor compatibilidad para grabado, perforación y laminación.

Desventajas de FR4

1. Resistencia mecánica ligeramente inferior a la del G10 debido a los retardantes de llama.
2. Absorción de agua ligeramente superior a la del G10 puro en condiciones de temperatura y humedad elevadas.

Tecnologías de procesamiento compatibles y precauciones

El G10 y el FR4 tienen características de procesamiento similares; ambos son muy abrasivos y requieren herramientas de corte duras.

Tecnologías comunes de procesamiento

• Cortando: Fresado CNCcorte por chorro de agua, corte por láser; FR4 es más adecuado para el procesado por láser.
• Taladrado: taladrado de alta velocidad con brocas de metal duro, centrado en la evacuación suave de la viruta.
• Fresado: en seco o con un mínimo de refrigerante para evitar la delaminación.
• Lijado: mediante bandas abrasivas o muelas; acabados mate o texturizados disponibles.
• Tratamiento de la superficie: serigrafía, pintura, encolado; se prefiere el adhesivo epoxi.

Precauciones de procesamiento

1. Las herramientas deben ser de carburo o con recubrimiento de diamante; la fibra de vidrio desgasta las herramientas rápidamente.
2. Se recomienda una velocidad de husillo alta y un avance bajo para reducir las virutas y la delaminación.
3. Controle la disipación del calor para evitar la carbonización de la resina o la delaminación por sobrecalentamiento.
4. El polvo de fibra de vidrio es nocivo; se requiere extracción de polvo y equipo de protección.
5. FR4 nota especial: los retardantes de llama pueden liberar trazas de gases a altas temperaturas; asegurar la ventilación durante el corte por láser.
6. G10 nota especial: no ignífugo, evitar el contacto directo con llama abierta o soldadura a alta temperatura.

Campos de aplicación y componentes típicos

Aplicaciones G10

• Piezas estructurales: fijaciones aeroespaciales, juntas mecánicas, soportes.
• Herramientas de mano: mangos de cuchillos, empuñaduras de herramientas de exterior.
• Equipamiento marino: piezas marinas, soportes de aislamiento impermeables.
• Equipamiento deportivo: monopatines, piezas estructurales de maquetas.
• Piezas aislantes: juntas aislantes de alta tensión en zonas no protegidas contra incendios.

Aplicaciones FR4

• Sustratos de PCB: electrónica de consumo, control industrial, automoción, equipos de comunicaciones.
• Aislamiento eléctrico: cuñas para ranuras de motores, aislamiento de transformadores, interruptores aisladores.
• Piezas estructurales: paneles de equipos, juntas de disipación térmica, bancos de pruebas.
• Electrónica del automóvil: Placas de aislamiento BMS, soportes de lámparas.
• Nuevas energías: aislamiento de baterías, aislamiento de barras colectoras.

Comparación de costes

Precio de la chapa (por kg, grosor estándar 1-3 mm)

• FR4: 4,6-5,0 USD/kg
• G10: 5,0-6,5 USD/kg
• Diferencia de precio: G10 es 10%-30% más alto que FR4

Coste de procesamiento

• Costes de CNC y perforación: casi los mismos para ambos.
• El G10 provoca un desgaste ligeramente menor de la herramienta y una mayor estabilidad de procesamiento.
• En la producción de placas de circuito impreso, el FR4 tiene un coste global significativamente inferior y unos procesos más maduros.

Guía de selección

• Cumplimiento de seguridad contra incendios requerido, para PCB o aislamiento eléctrico → elija FR4.
• Mayor resistencia, aspecto coloreado, estructuras subacuáticas o no ignífugas → elija G10.
• Presupuesto limitado, producción en serie → elija FR4.
• Piezas estructurales militares/aeroespaciales, empuñaduras, piezas resistentes al desgaste → elija G10.

Conclusión

G10 y FR4 son materiales de fibra de vidrio epoxi homólogos y heterogéneos.

• G10 se centra en la resistencia estructural pura: mayor resistencia pero no ignífuga.
• FR4 se centra en la retardancia de la llama y la versatilidad: cumple las normas de seguridad y tiene aplicaciones más amplias.

G10 es superior en rendimiento mecánico, mientras que el FR4 es mejor en resistencia al fuego y conformidad eléctrica. El FR4 tiene un coste inferior, y los dos son similares en cuanto a dificultad de procesamiento. Para la selección de ingeniería, se recomienda tomar como primer criterio el requisito de resistencia al fuego y, a continuación, finalizar la elección en función de las necesidades de resistencia, el presupuesto y los requisitos de aspecto.