Analisi comparativa completa dei materiali G10 vs FR4

G10 e FR4 appartengono entrambi ai laminati epossidici in fibra di vetro. La differenza fondamentale tra i due materiali risiede nell'uso di formule ignifughe. Questa differenza influisce direttamente sulle proprietà meccaniche, sulla resistenza al fuoco, sui costi, sui metodi di lavorazione e sugli scenari di applicazione. Questo articolo fornisce un confronto completo in termini di introduzione del materiale, classificazione, proprietà meccaniche, proprietà elettriche, resistenza al fuoco, tecnologia di lavorazione, costi, applicazioni e selezione, coprendo tutti i punti chiave per la scelta del materiale ingegneristico.

Introduzione al materiale di base

1.1 G10

• G10 è un laminato epossidico non ritardante in fibra di vetro definito dagli standard NEMA.
• È realizzato in tessuto di fibra di vetro e resina epossidica pura pressata ad alta temperatura e ad alta pressione.
• Posizionamento principale: substrato strutturale ad alta resistenza, con priorità all'isolamento e alla resistenza meccanica.
• Standard applicabili: NEMA LI-1, MIL-I-24768/27.
• Grado di infiammabilità: UL94 HB, combustione orizzontale, non infiammabile.

1,2 FR4

• FR4 è una versione potenziata e ritardante di fiamma basata sul G10, con l'aggiunta di ritardanti di fiamma fosforo-azoto per soddisfare le specifiche di sicurezza antincendio.
• Posizionamento principale: isolamento elettrico e substrato strutturale generale, il materiale principale dell'industria elettronica.
• Standard applicabili: NEMA LI-1, IPC-4101, UL94 e altri standard industriali.
• Grado di infiammabilità: UL94 V-0, autoestinguente se allontanato dalla fonte di accensione, non gocciola durante la combustione.

Classificazione e gradi dei materiali

Classificazioni G10 comuni

• Standard G10: tipo generale ad alta resistenza, non ignifugo.
• G10/FR4: G10 modificato ritardante di fiamma, che bilancia forza e resistenza al fuoco.
• G11Tipo potenziato per alte temperature, con migliore resistenza al calore e stabilità dimensionale.
• G10 colorato: utilizzato soprattutto per decorazioni o impugnature, disponibile in vari colori.

Classificazioni FR4 comuni

• FR4 standard: Tg circa 130°C, per PCB generici e parti isolanti.
• Medium Tg FR4: Tg circa 150°C, adatto per processi di saldatura senza piombo.
• FR4 ad alta Tg: Tg superiore a 170°C, utilizzato in ambito militare, automobilistico e nelle apparecchiature ad alta potenza.
• FR4 senza alogeni: tipo ecologico a bassa emissione di fumi, utilizzato soprattutto nell'elettronica medica e automobilistica.
• FR4 ad alta frequenza e bassa perdita: per apparecchiature di segnale e comunicazione ad alta velocità.

Confronto delle prestazioni del nucleo

3.1 Proprietà meccaniche

3.2 Resistenza al fuoco e proprietà termiche

• Il G10 non ha alcun effetto ritardante di fiamma; brucia continuamente in presenza di fiamme libere e non può essere utilizzato in applicazioni con requisiti di protezione antincendio.
• FR4 soddisfa la classificazione UL94 V-0, autoestinguendosi entro 10 secondi dall'uscita dalla fonte di accensione, in conformità con gli standard di sicurezza per i prodotti elettronici ed elettrici.
• La temperatura di esercizio a lungo termine per entrambi è di 130-150 °C; le versioni ad alta Tg possono superare i 170 °C.

3.3 Proprietà elettriche

• Rigidità dielettrica: entrambi sono 15-50 kV/mm, allo stesso livello.
• Costante dielettrica: 4,2-4,8 a 1 MHz.
• Nel complesso, l'FR4 presenta un isolamento elettrico più consistente, che lo rende più adatto ai PCB e ai componenti isolanti ad alta tensione.

Sintesi dei vantaggi e degli svantaggi

Vantaggi del G10

1. Maggiore resistenza meccanica, migliore resistenza alla flessione e agli urti.
2. Nessun ritardante di fiamma, resistenza agli agenti atmosferici e all'acqua leggermente migliore.
3. Ricche opzioni di colore per le parti estetiche, come le decorazioni e le maniglie.
4. Sistema epossidico puro, superficie più liscia dopo la lavorazione.

Svantaggi del G10

1. Non ritardante di fiamma, non può essere utilizzato in applicazioni con requisiti di protezione antincendio.
2. Meno fornito dell'FR4, tempi di consegna più lunghi per alcune specifiche.

Vantaggi di FR4

1. Classificazione di fiamma V-0, conforme agli standard globali di sicurezza mainstream, campo di applicazione più ampio.
2. Materiale standard nell'industria elettronica, a basso costo e fornitura stabile.
3. Gamma completa di gradi per le diverse esigenze: temperatura normale, alta temperatura, alta frequenza, assenza di alogeni.
4. Processo di produzione di PCB maturo, migliore compatibilità per l'incisione, la foratura e la laminazione.

Svantaggi dell'FR4

1. Resistenza meccanica leggermente inferiore a quella del G10 a causa dei ritardanti di fiamma.
2. Assorbimento dell'acqua leggermente superiore a quello del G10 puro in condizioni di temperatura e umidità elevate.

Tecnologie di lavorazione e precauzioni supportate

Il G10 e l'FR4 hanno caratteristiche di lavorazione simili; entrambi sono altamente abrasivi e richiedono utensili da taglio duri.

Tecnologie di elaborazione comuni

• Taglio: Fresatura CNC, taglio a getto d'acqua, taglio laser; FR4 è più adatto alla lavorazione laser.
• Foratura: foratura ad alta velocità con punte in metallo duro, con particolare attenzione all'asportazione del truciolo.
• Fresatura: a secco o con un minimo di refrigerante per evitare la delaminazione.
• Levigatura: utilizzando nastri abrasivi o mole; sono disponibili finiture opache o strutturate.
• Trattamento superficiale: serigrafia, verniciatura, incollaggio; si preferisce l'adesivo epossidico.

Precauzioni di lavorazione

1. Gli utensili devono essere in carburo o con rivestimento diamantato; la fibra di vetro consuma rapidamente gli utensili.
2. Si raccomanda un'elevata velocità del mandrino e un basso avanzamento per ridurre la scheggiatura e la delaminazione.
3. Controllare la dissipazione del calore per evitare la carbonizzazione della resina o la delaminazione dovuta al surriscaldamento.
4. La polvere di fibra di vetro è nociva; sono necessari l'aspirazione e l'equipaggiamento protettivo.
5. FR4 nota speciale: i ritardanti di fiamma possono rilasciare tracce di gas ad alte temperature; garantire la ventilazione durante il taglio laser.
6. G10 nota speciale: non ritardante di fiamma, evitare il contatto diretto con fiamme libere o saldature ad alta temperatura.

Campi di applicazione e componenti tipici

Applicazioni G10

• Parti strutturali: fissaggi aerospaziali, guarnizioni meccaniche, staffe.
• Utensili manuali: manici di coltelli, impugnature per utensili da esterno.
• Equipaggiamento marino: ricambi marini, staffe isolanti impermeabili.
• Attrezzature sportive: skateboard, parti strutturali di modelli.
• Parti isolanti: guarnizioni isolanti per alta tensione in aree non protette dal fuoco.

Applicazioni FR4

• Substrati per PCB: elettronica di consumo, controllo industriale, automotive, apparecchiature di comunicazione.
• Isolamento elettrico: cunei per motori, isolamento di trasformatori, interruttori di isolamento.
• Parti strutturali: pannelli per apparecchiature, guarnizioni per la dissipazione del calore, dispositivi di prova.
• Elettronica per autoveicoli: Schede di isolamento BMS, staffe per lampade.
• Nuove energie: isolamento dei pacchi batteria, lastre isolanti per le sbarre.

Confronto dei costi

Prezzo della lastra (per kg, spessore standard 1-3 mm)

• FR4: 4,6-5,0 USD/kg
• G10: 5,0-6,5 USD/kg
• Differenza di prezzo: G10 è 10%-30% più alto di FR4

Costo di elaborazione

• Costi del CNC e della perforazione: quasi gli stessi per entrambi.
• Il G10 provoca una minore usura degli utensili e una migliore stabilità di lavorazione.
• Nella produzione di PCB, l'FR4 ha un costo complessivo significativamente inferiore e processi più maturi.

Guida alla selezione

• È richiesta la conformità alla normativa antincendio, per l'isolamento di PCB o elettrici → scegliere FR4.
• Maggiore resistenza, aspetto colorato, strutture subacquee o non antincendio → scegliere il G10.
• Budget limitato, produzione di massa → scegliere FR4.
• Parti strutturali militari/aerospaziali, maniglie, parti resistenti all'usura → scegliere il G10.

Conclusione

G10 e FR4 sono materiali in fibra di vetro epossidica omologhi ed eterogenei.

• Il G10 si concentra sulla pura resistenza strutturale: maggiore resistenza ma non ritardante di fiamma.
• FR4 si concentra sul ritardo di fiamma e sulla versatilità: soddisfa gli standard di sicurezza e le applicazioni più ampie.

G10 è superiore in termini di prestazioni meccaniche, mentre l'FR4 è migliore in termini di resistenza al fuoco e conformità elettrica. L'FR4 ha un costo inferiore e le difficoltà di lavorazione sono simili. Per la scelta ingegneristica, si raccomanda di considerare il requisito di resistenza al fuoco come primo criterio, per poi finalizzare la scelta in base alle esigenze di resistenza, al budget e ai requisiti estetici.