Analyse comparative complète des matériaux G10 et FR4

Le G10 et le FR4 font tous deux partie des stratifiés époxy en fibre de verre. La principale différence entre les deux matériaux réside dans l'utilisation de formules ignifuges. Cette différence a une incidence directe sur les propriétés mécaniques, les indices de résistance au feu, les coûts, les méthodes de traitement et les scénarios d'application. Cet article fournit une comparaison complète en termes de présentation du matériau, de classification, de propriétés mécaniques, de propriétés électriques, de résistance au feu, de technologie de traitement, de coût, d'applications et de sélection, couvrant tous les points clés pour la sélection des matériaux d'ingénierie.

Introduction au matériel de base

1.1 G10

• G10 est un stratifié de fibre de verre époxy non retardateur de flamme défini par les normes NEMA.
• Il est composé d'un tissu en fibre de verre et d'une résine époxy pure pressée à haute température et à haute pression.
• Positionnement principal : substrat structurel à haute résistance, privilégiant l'isolation et la résistance mécanique.
• Normes applicables : NEMA LI-1, MIL-I-24768/27.
• Indice d'inflammabilité : UL94 HB, combustion horizontale, non retardateur de flamme.

1.2 FR4

• Le FR4 est une version améliorée du G10, avec des retardateurs de flamme phosphore-azote ajoutés pour répondre aux spécifications de sécurité incendie.
• Positionnement principal : isolation électrique et substrat structurel général, le matériau principal dans l'industrie électronique.
• Normes applicables : NEMA LI-1, IPC-4101, UL94 et autres normes industrielles.
• Indice d'inflammabilité : UL94 V-0, auto-extinguible lorsqu'il est éloigné de la source d'inflammation, pas de gouttes pendant la combustion.

Classification et qualités des matériaux

Classifications communes du G10

• Standard G10 : type général à haute résistance, non ignifugé.
• G10/FR4 : G10 modifié ignifugé, équilibrant la solidité et la résistance au feu.
• G11Type amélioré pour les hautes températures, avec une meilleure résistance à la chaleur et une meilleure stabilité dimensionnelle.
• G10 coloré : principalement utilisé pour la décoration ou les poignées, disponible en différentes couleurs.

Classifications FR4 courantes

• Standard FR4 : Tg d'environ 130°C, pour les circuits imprimés généraux et les pièces d'isolation.
• FR4 à Tg moyen : Tg d'environ 150°C, convient aux procédés de soudure sans plomb.
• FR4 à Tg élevé : Tg supérieur à 170°C, utilisé dans les équipements militaires, automobiles et de haute puissance.
• FR4 sans halogène : type écologique à faible dégagement de fumée, principalement utilisé dans l'électronique médicale et automobile.
• FR4 haute fréquence à faible perte : pour les équipements de signalisation et de communication à grande vitesse.

Comparaison des performances du noyau

3.1 Propriétés mécaniques

3.2 Résistance au feu et propriétés thermiques

• Le G10 n'a pas d'effet retardateur de flamme ; il brûle continuellement dans une flamme ouverte et ne peut pas être utilisé dans des applications nécessitant une protection contre le feu.
• Le FR4 est conforme à la norme UL94 V-0. Il s'éteint automatiquement dans les 10 secondes qui suivent l'arrêt de la source d'inflammation, conformément aux normes de sécurité applicables aux produits électroniques et électriques.
• La température de fonctionnement à long terme pour les deux est de 130-150°C ; les versions à haute Tg peuvent dépasser 170°C.

3.3 Propriétés électriques

• Rigidité diélectrique : les deux sont de 15 à 50 kV/mm, au même niveau.
• Constante diélectrique : 4,2-4,8 à 1 MHz.
• Dans l'ensemble, le FR4 présente une isolation électrique plus cohérente, ce qui le rend plus adapté aux circuits imprimés et aux composants d'isolation haute tension.

Résumé des avantages et des inconvénients

Avantages du G10

1. Résistance mécanique plus élevée, meilleure résistance à la flexion et aux chocs.
2. Pas de retardateurs de flamme, une légère amélioration de la résistance aux intempéries et à l'eau.
3. Nombreuses options de couleurs pour les pièces d'aspect telles que les décorations et les poignées.
4. Système époxy pur, surface plus lisse après traitement.

Inconvénients du G10

1. Non ignifuge, ne peut être utilisé dans des applications nécessitant une protection contre le feu.
2. Moins répandu que le FR4, délai de livraison plus long pour certaines spécifications.

Avantages de la FR4

1. Indice de flamme V-0, conforme aux principales normes de sécurité mondiales, champ d'application élargi.
2. Matériau standard dans l'industrie électronique, coût réduit et approvisionnement stable.
3. Gamme complète de grades pour différents besoins : température normale, haute température, haute fréquence, sans halogène.
4. Processus de fabrication de circuits imprimés parvenu à maturité, meilleure compatibilité pour la gravure, le perçage et la stratification.

Inconvénients du FR4

1. Résistance mécanique légèrement inférieure à celle du G10 en raison des retardateurs de flamme.
2. Absorption d'eau légèrement supérieure à celle du G10 pur en cas de température et d'humidité élevées.

Technologies de traitement soutenues et précautions

Le G10 et le FR4 ont des caractéristiques de traitement similaires ; tous deux sont très abrasifs et nécessitent des outils de coupe durs.

Technologies de traitement courantes

• Découpage : Fraisage CNCdécoupe au jet d'eau, découpe au laser ; FR4 est plus adapté au traitement au laser.
• Perçage : perçage à grande vitesse avec des forets en carbure, en se concentrant sur l'élimination en douceur des copeaux.
• Fraisage : à sec ou avec un minimum de liquide de refroidissement pour éviter la délamination.
• Ponçage : à l'aide de bandes abrasives ou de meules ; finitions mates ou texturées disponibles.
• Traitement de surface : sérigraphie, peinture, collage ; l'adhésif époxy est préférable.

Précautions de traitement

1. Les outils doivent être en carbure ou recouverts de diamant ; la fibre de verre use rapidement les outils.
2. Une vitesse de broche élevée et une faible vitesse d'avance sont recommandées pour réduire l'écaillage et la délamination.
3. Contrôler la dissipation de la chaleur pour éviter la carbonisation ou la délamination de la résine en cas de surchauffe.
4. La poussière de fibre de verre est nocive ; l'extraction de la poussière et l'utilisation d'un équipement de protection sont nécessaires.
5. FR4 note spéciale : les retardateurs de flamme peuvent libérer des gaz à l'état de traces à des températures élevées ; assurez une ventilation pendant la découpe au laser.
6. Note spéciale G10 : non retardateur de flamme, éviter le contact direct avec une flamme nue ou le soudage à haute température.

Domaines d'application et composants typiques

Applications G10

• Pièces structurelles : fixations aérospatiales, joints mécaniques, supports.
• Outils à main : manches de couteaux, poignées d'outils d'extérieur.
• Équipement marin : pièces marines, supports d'isolation étanches.
• Matériel de sport : planches à roulettes, modèles de pièces structurelles.
• Pièces d'isolation : joints d'isolation haute tension dans les zones non protégées contre l'incendie.

Applications FR4

• Substrats pour circuits imprimés : électronique grand public, contrôle industriel, automobile, équipements de communication.
• Isolation électrique : cales à fente pour moteurs, isolation de transformateurs, interrupteurs de sectionnement.
• Pièces structurelles : panneaux d'équipement, joints de dissipation thermique, montages d'essai.
• Électronique automobile : Panneaux d'isolation BMS, supports de lampes.
• Nouvelles énergies : isolation des batteries, plaques d'isolation des barres omnibus.

Comparaison des coûts

Prix de la feuille (par kg, épaisseur standard 1-3mm)

• FR4 : 4,6-5,0 USD/kg
• G10 : 5,0-6,5 USD/kg
• Différence de prix : G10 est 10%-30% plus élevé que FR4

Coût de la transformation

• Coûts de la CNC et du forage : pratiquement les mêmes pour les deux.
• Le G10 entraîne une usure légèrement moindre de l'outil et une meilleure stabilité de traitement.
• Dans la production de circuits imprimés, le FR4 a un coût global nettement inférieur et des processus plus mûrs.

Guide de sélection

• Conformité à la sécurité incendie requise, pour les circuits imprimés ou l'isolation électrique → choisir FR4.
• Plus grande résistance, aspect coloré, structures sous-marines ou non protégées contre le feu → choisir G10.
• Budget limité, production de masse → choisir FR4.
• Pièces structurelles militaires/aérospatiales, poignées, pièces résistantes à l'usure → choisissez le G10.

Conclusion

Le G10 et le FR4 sont des matériaux homologues et hétérogènes à base de fibres de verre époxy.

• Le G10 se concentre sur la résistance structurelle pure : une résistance plus élevée mais non retardatrice de flammes.
• Le FR4 se concentre sur l'ignifugation et la polyvalence : il répond aux normes de sécurité et à des applications plus larges.

G10 est supérieur en termes de performances mécaniques, tandis que le FR4 est meilleur en termes de résistance au feu et de conformité électrique. Le FR4 est moins cher, et les deux sont similaires en termes de difficulté de mise en œuvre. Pour la sélection technique, il est recommandé de prendre l'ignifugation comme premier critère, puis de finaliser le choix en fonction des besoins de résistance, du budget et de l'apparence.