Всесторонний сравнительный анализ материалов G10 и FR4

G10 и FR4 относятся к эпоксидным стекловолоконным ламинатам. Основное различие между этими двумя материалами заключается в использовании огнестойких формул. Это различие напрямую влияет на механические свойства, показатели огнестойкости, стоимость, методы обработки и сценарии применения. В этой статье приводится полное сравнение материалов, их классификация, механические свойства, электрические свойства, огнестойкость, технология обработки, стоимость, применение и выбор, охватывающее все ключевые моменты для выбора инженерного материала.

Основные материалы Введение

1.1 G10

• G10 - это невоспламеняющийся эпоксидный ламинат из стекловолокна, определенный стандартами NEMA.
• Он изготовлен из стекловолокна и чистой эпоксидной смолы, спрессованной при высокой температуре и под высоким давлением.
• Основное позиционирование: высокопрочная структурная подложка, приоритет отдается изоляции и механической прочности.
• Применимые стандарты: NEMA LI-1, MIL-I-24768/27.
• Степень воспламеняемости: UL94 HB, горизонтальное горение, невоспламеняющийся.

1.2 FR4

• FR4 - огнестойкая модернизированная версия на основе G10, в которую добавлены фосфорно-азотные антипирены для соответствия требованиям пожарной безопасности.
• Основное позиционирование: электрическая изоляция и общая структурная подложка, основной материал в электронной промышленности.
• Применимые стандарты: NEMA LI-1, IPC-4101, UL94 и другие промышленные стандарты.
• Степень воспламеняемости: UL94 V-0, самозатухающий при удалении от источника воспламенения, не капает при горении.

Классификация и маркировка материалов

Общие классификации G10

• Стандарт G10: общий высокопрочный тип, невоспламеняющийся.
• G10/FR4: огнестойкий модифицированный G10, сочетающий в себе прочность и огнестойкость.
• G11Высокотемпературный улучшенный тип, с лучшей термостойкостью и стабильностью размеров.
• Цветной G10: в основном используется для украшения или рукояток, доступен в различных цветах.

Общие классификации FR4

• Стандартный FR4: Tg ок. 130°C, для общих печатных плат и изоляционных деталей.
• Средняя Tg FR4: Tg около 150°C, подходит для процессов бессвинцовой пайки.
• High Tg FR4: Tg выше 170°C, используется в военном, автомобильном и мощном оборудовании.
• Безгалогенный FR4: экологически чистый малодымный тип, в основном используется в медицинской и автомобильной электронике.
• Высокочастотный FR4 с низкими потерями: для высокоскоростного сигнального и коммуникационного оборудования.

Сравнение производительности ядра

3.1 Механические свойства

3.2 Огнестойкость и тепловые свойства

• G10 не обладает огнезащитным эффектом; он постоянно горит в открытом пламени и не может использоваться в огнезащитных целях.
• FR4 соответствует рейтингу UL94 V-0, самозатухает в течение 10 секунд после выхода из источника воспламенения, что соответствует стандартам безопасности для электронных и электрических изделий.
• Длительная рабочая температура для обоих вариантов составляет 130-150°C; у высокотемпературных версий она может превышать 170°C.

3.3 Электрические свойства

• Диэлектрическая прочность: оба показателя составляют 15-50 кВ/мм, на одном уровне.
• Диэлектрическая проницаемость: 4,2-4,8 на частоте 1 МГц.
• В целом, FR4 обладает более надежной электроизоляцией, что делает его более подходящим для изготовления печатных плат и высоковольтных изоляционных компонентов.

Краткое описание преимуществ и недостатков

Преимущества G10

1. Высокая механическая прочность, лучшая устойчивость к изгибу и ударам.
2. Без антипиренов, немного лучше устойчив к атмосферным воздействиям и водонепроницаем.
3. Богатые цветовые решения для внешних деталей, таких как украшения и ручки.
4. Чистая эпоксидная система, более гладкая поверхность после обработки.

Недостатки G10

1. Не огнестойкий, не может применяться в системах, требующих огнезащиты.
2. Поставляется реже, чем FR4, срок изготовления некоторых спецификаций увеличивается.

Преимущества FR4

1. Класс пламени V-0, соответствует мировым стандартам безопасности, более широкий диапазон применения.
2. Стандартный материал в электронной промышленности, низкая стоимость и стабильные поставки.
3. Полный ассортимент марок для различных потребностей: нормальная температура, высокая температура, высокая частота, без галогенов.
4. Зрелый процесс производства печатных плат, наилучшая совместимость с травлением, сверлением и ламинированием.

Недостатки FR4

1. Немного ниже механическая прочность, чем у G10, из-за использования антипиренов.
2. Немного большее водопоглощение, чем у чистого G10, при высокой температуре и влажности.

Поддерживаемые технологии обработки и меры предосторожности

G10 и FR4 имеют схожие характеристики обработки; оба материала являются высокоабразивными и требуют применения твердого режущего инструмента.

Общие технологии обработки

• Резка: Фрезерование с ЧПУГидроабразивная резка, лазерная резка; FR4 больше подходит для лазерной обработки.
• Сверление: высокоскоростное сверление твердосплавными сверлами с упором на плавное удаление стружки.
• Фрезерование: сухое или с минимальным количеством охлаждающей жидкости, чтобы избежать расслоения.
• Шлифовка: с помощью абразивных лент или шлифовальных кругов; возможна матовая или текстурированная отделка.
• Обработка поверхности: трафаретная печать, покраска, склеивание; предпочтительнее эпоксидный клей.

Меры предосторожности при обработке

1. Инструменты должны быть твердосплавными или с алмазным напылением; стекловолокно быстро изнашивает инструменты.
2. Для уменьшения сколов и расслоения рекомендуется высокая скорость вращения шпинделя и низкая скорость подачи.
3. Контролируйте отвод тепла, чтобы избежать карбонизации или расслоения смолы от перегрева.
4. Стекловолоконная пыль вредна; требуется удаление пыли и защитные средства.
5. FR4 Специальное примечание: антипирены могут выделять следы газов при высоких температурах; обеспечьте вентиляцию во время лазерной резки.
6. G10 особое примечание: не огнестойкий, избегайте прямого контакта с открытым пламенем или высокотемпературной сварки.

Типичные области применения и компоненты

Приложения G10

• Конструктивные детали: аэрокосмические крепления, механические прокладки, кронштейны.
• Ручные инструменты: рукоятки для ножей, рукоятки для инструментов.
• Морское оборудование: морские детали, водонепроницаемые изоляционные кронштейны.
• Спортивный инвентарь: скейтборды, конструктивные детали моделей.
• Изоляционные детали: высоковольтные изоляционные прокладки в зонах, не требующих огнезащиты.

Применение FR4

• Подложки для печатных плат: бытовая электроника, промышленное управление, автомобильное и коммуникационное оборудование.
• Электрическая изоляция: пазовые клинья для двигателей, изоляция трансформаторов, выключатели изоляторов.
• Конструктивные детали: панели оборудования, теплоотводящие прокладки, испытательные приспособления.
• Автомобильная электроника: Изоляционные платы BMS, кронштейны для ламп.
• Новая энергетика: изоляция аккумуляторных батарей, изоляционные листы для шин.

Сравнение стоимости

Цена листа (за кг, стандартная толщина 1-3 мм)

• FR4: 4,6-5,0 USD/кг
• G10: 5,0-6,5 USD/кг
• Разница в цене: G10 на 10%-30% выше, чем FR4

Стоимость обработки

• Стоимость ЧПУ и сверления: почти одинаковая для обоих вариантов.
• G10 обеспечивает чуть меньший износ инструмента и лучшую стабильность обработки.
• При производстве печатных плат FR4 имеет значительно более низкую общую стоимость и более отработанные процессы.

Руководство по выбору

• Требуется соблюдение требований пожарной безопасности, для печатных плат или электрической изоляции → выбирайте FR4.
• Повышенная прочность, цветной внешний вид, подводные или неогнезащитные конструкции → выбирайте G10.
• Бюджет ограничен, производство массовое → выбирайте FR4.
• Конструктивные детали военного/аэрокосмического назначения, рукоятки, износостойкие детали → выбирайте G10.

Заключение

G10 и FR4 - это гомологичные и гетерогенные материалы из эпоксидного стекловолокна.

• G10 ориентирован на чисто структурную прочность: высокая прочность, но невоспламеняемость.
• FR4 - это огнестойкость и универсальность: соответствие стандартам безопасности и более широкое применение.

G10 превосходит по механическим характеристикам, в то время как FR4 лучше по огнестойкости и электрическим параметрам. FR4 имеет более низкую стоимость, а по сложности обработки эти два материала схожи. При выборе конструкции рекомендуется в первую очередь руководствоваться требованием огнестойкости, а затем окончательно определиться с выбором, исходя из требований к прочности, бюджету и внешнему виду.