16. Mai 2024

Entdecken Sie die Welt der FR-4-Verbundwerkstoffqualität nach dem NEMA LI 1-Standard

Themen: FR-4, NEMA LI 1, Verbundwerkstoffqualität

Einführung

FR-4, ein Verbundwerkstoff, der für seine außergewöhnlichen Eigenschaften bekannt ist. Er entspricht den strengen Qualitätsstandards der National Electrical Manufacturers Association (NEMA), dem größten Handelsverband von Elektrogeräteherstellern in den Vereinigten Staaten. Durch die Kombination von Glasgewebe als Basismaterial mit Epoxidharz bietet FR-4 eine robuste Lösung für verschiedene Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit und Leistung im Vordergrund stehen. Der Name FR steht für „fire retardant“, da dieses Material nicht nur mechanisch belastbar und elektrisch isolierend wirkt, sondern auch feuerhemmend ist.

Material Design

Das Materialdesign von FR-4 umfasst eine sorgfältige Anordnung von Glasgewebeschichten, die mit hochwertigem Epoxidharz imprägniert sind. Bestimmte Füllstoffe verbessern andere Eigenschaften wie die Kriechstromfestigkeit, die elektrische Durchschlagsfestigkeit und die Feuerhemmung.

Typische Füllstoffe zur Erzielung von Flammschutzmitteln enthalten Brom, es gibt jedoch auch Alternativen auf dem Markt, die keine Halogene enthalten. Diese Kombination führt zu einem robusten und dennoch vielseitigen Material, das eine hervorragende mechanische Festigkeit, elektrische Isolierung und Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen aufweist – was es zu einer bevorzugten Wahl in verschiedenen Branchen und zahlreichen Anwendungen macht.

Eigenschaften

FR-4 zeichnet sich durch eine Reihe von Eigenschaften aus. Es bietet eine hohe Dimensionsstabilität, eine geringe Wasseraufnahme und erfüllt die UL94 V-0-Einstufung für Flammhemmung. Darüber hinaus gibt es FR-4-Varianten mit hohen Glasübergangstemperaturen (TG). Diese sind hervorragend geeignet für Anwendungen, die eine erhöhte Temperaturbeständigkeit erfordern, und gewährleistet demnach Zuverlässigkeit auch unter diesen anspruchsvollen Bedingungen.

Varianten mit hohem TG weisen in der Regel auch einen höheren Temperaturindex gemäß der Norm IEC 60216 auf. Dieser Temperaturindex wird durch die Verschlechterung einer bestimmten mechanischen Eigenschaft definiert, z.B. die Biegefestigkeit über die Zeit bei einer bestimmten erhöhten Temperatur. Die Norm verlangt lediglich einen Temperaturindex von 130 °C oder Klasse B, es sind aber auch Lösungen mit 155 °C (Klasse F) und 180 °C (Klasse H) verfügbar.

Lieferform

FR-4-Material ist in verschiedenen Formen erhältlich, um unterschiedlichen Fertigungsanforderungen oder Anwendungen gerecht zu werden. Entlang der Herstellung betrachtet, ist es als vorimprägniertes Gewebe – sogenanntes Prepreg -, als gepresste Platte, gewickeltes Rohr und als Fertigteile nach Kundenspezifikation erhältlich. Die verfügbaren Plattendicken reichen von 0,2 bis 150 mm mit den beiden Pressengrößen 1170 x 1070 mm und 2070 x 1070 mm. Die von Roll hat fast alle Bearbeitungsmöglichkeiten im Haus: angefangen vom Trocken- und Nassschleifen über Sägen und Wasserstrahlschneiden bis hin zu CNC-Drehen und CNC-Fräsen. Kleine Teile, feine Details, kleine bis große Serien: Alles ist möglich.

Varianten

Die Vielseitigkeit der brandhemmenden Materialien nach NEMA LI 1 wird durch Varianten wie FR-2, FR-3 und FR-5 noch erweitert. Jede Variante geht auf spezifische Anwendungsanforderungen ein und bietet maßgeschneiderte Lösungen für verschiedene Branchen. Diese Varianten entsprechen alle dem UL 94-Standard und bieten verbesserte Leistungsmerkmale entsprechend den Branchenanforderungen.

Die unterschiedlichen FR-X-Qualitäten sind hinsichtlich der verwendeten Verstärkungs- und Matrixmaterialien sehr unterschiedlich aufgebaut, haben aber eines gemeinsam: Sie sind alle „schwer entflammbar“. FR-2 ist Zellulosepapier (Basismaterial) mit Phenolharz-Binder, FR-3 ist Zellulosepapier (Basismaterial) mit Epoxidharz-Binder, FR-4 ist Glasgewebe (Basismaterial) mit Epoxidharz-Binder und FR-5 ist ebenfalls Glasgewebe (Basismaterial) mit Epoxidharz-Binder, jedoch mit einer besseren Performance bei höheren Temperaturen.

Anwendungen

Die weit verbreiteten Anwendungen von FR-4 umfassen Branchen von der Elektronik bis zur Luft- und Raumfahrt. Es wird häufig in der Leiterplattenherstellung, bei elektrischen Isolatoren, Automobilkomponenten verwendet. Die Zuverlässigkeit, Stabilität und Flammschutzeigenschaften des Materials machen es zur ersten Wahl für kritische und anspruchsvolle Anwendungen.

Fertigungsprozess

Die Herstellung von FR-4 umfasst sorgfältig kontrollierte Schritte, um sicherzustellen, dass das Produkt den strengen Qualitätsstandards entspricht. Von der Auswahl hochwertiger Rohstoffe bis hin zu präzisen Harzimprägnierungs- und Härtungsprozessen ist jede Phase entscheidend für die Herstellung von FR-4-Platten mit gleichbleibenden Eigenschaften.

Der erste Produktionsschritt ist die Formulierung, also die Mischung aus Harz, Härter und Füllstoffen, z.B. der flammhemmende Inhaltsstoff. Alles muss in genau der richtigen Menge hinzugefügt und gründlich gemischt werden, um ein qualitativ hochwertiges und homogenes Produkt zu gewährleisten. Anschließend wird das Glasgewebe durch die Harzmischung getaucht. Dieser Schritt wird als Tauchbeschichtung (engl. dip-coating) bezeichnet. Das eingetauchte Gewebe wird getrocknet und vorgehärtet, wodurch es zu einem Prepreg im B-Stadium wird. Dieses Prepreg kann zur Herstellung von Platten und Rohren weiterverarbeitet werden. Beim Verpressen der Bleche und Wickelhülsen spielt das Zusammenspiel von Druck und Temperatur eine entscheidende Rolle. Das richtige Maß von beidem zur richtigen Zeit ergibt ein einwandfreies Produkt.

Andere Standards

Zusätzlich zu NEMA LI 1 entspricht FR-4-Material verschiedenen anderen Industriestandards. Die NEMA ist ein in den USA ansässiger Verband. In Europa ist die IEC/EN 60893 eine verbreitetere Norm. Gemäß dieser Norm ist EP GC 202 eine mit FR-4 vergleichbare Qualität. EP GC steht für Epoxidharz/Glasgewebe und die Qualität 202 impliziert nicht nur ähnliche mechanische und elektrische Eigenschaften wie FR-4, sondern auch die Flammhemmung.

Es gibt auch ältere, teilweise zurückgezogene Normen wie die deutsche DIN 7735 mit der Qualität HGW 2372.1, die britische BS 3953 mit der Qualität EP-4 oder die französische NF C26-151 mit der Qualität Vt-EE 1-e. Alle beziehen sich auf ein ähnliches Glasgewebematerial auf Epoxidharzbasis mit flammhemmenden Eigenschaften.

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