使用 FR-4 基材的 PCB 設計指引

在設計電路板（PCB）時，基板材質的考量至關重要。這是因為如果沒有合適的 PCB 材料，就無法製造出印刷電路板。在開發和生產電路板時，基板材料必須與銅層、文字面（絲印）和表面處理一樣被賦予高度重視。一般而言，PCB 基板必須使用非導電材料，如陶瓷、Marlon、FR4 等。材料的選擇取決於其預期用途，如果某些核心參數或材料相關參數選擇錯誤，電路可能會出現異常行為。今天我們將在本文中瞭解 FR4 適用於哪些應用，並為您提供相關的 FR4 PCB 設計建議。

何謂 FR4？

FR4 代表「阻燃 4 級」（Flame Retardant 4），是 PCB 製造中所使用的一種材料等級名稱。它主要由編織的玻璃纖維與環氧樹脂密封組成，具有優異的電絕緣性和機械強度。FR4 中的「4」使其與早期的阻燃材料有所區別，由於其性能優越，現已成為應用最廣泛的材料。FR4 誕生於 20 世紀中葉，當時纖維強化材料和合成樹脂正處於生產發展期。

如前所述，「FR」標誌表示該材料具有阻燃性，因此適用於許多嚴苛的用途。該材料的介電常數（Dk）在 4.2 到 4.8 之間（視頻率而定），在 1 MHz 下的損耗因數（Df）約為 0.02，這使其非常適合一般用途的電子設計。

FR4 的分類與特性：

在 PCB 產業中，FR4 板材按厚度、材料來源、電氣性質和熱特性進行分類。FR4 的標準厚度為 1.6 mm，但也有 0.5 mm 和 2.36 mm 等變體。根據設計規範，銅箔厚度的正常範圍為 18 µm 至 140 µm。

玻璃轉化溫度（Tg）是 FR4 分類中最重要的熱特性之一，它決定了材料在受熱下的行為。FR4 分為三種不同的溫度範圍：

• 低 Tg (130–140°C)

• 標準 Tg (150–160°C)

• 高 Tg (>170°C)

由於高 Tg 材料具有更好的耐熱性和防潮性，因此更受推薦。FR4 在超過 180°C 的溫度下會開始分解。此外，FR4 具有低熱膨脹係數（CTE），這使其成為散熱考量環境下的理想選擇。

使用 FR4 進行 PCB 設計的 7 條準則

1) 疊層設計與層次規劃

良好的疊層結構可增強信號完整性與熱管理。PCB 疊層錯誤常會導致信號反射問題。為了獲得更好的信號完整性和更低的電磁干擾（EMI），請參考我們關於 HDI 疊層的文章。常見的疊層包括：

• 用於簡單設計的 2 層板。

• 用於複雜、高密度電路的 4 到 8 層疊層。

2) 線寬與阻抗控制

對於受控阻抗設計，請根據 FR4 的介電特性計算線寬。通常我們必須使走線阻抗與輸入/輸出埠匹配，否則會產生信號反射並導致 EMI 問題。標準的線上計算機或 PCB 設計軟體可以協助判斷，我們也提供 JLCPCB 阻抗計算機供您使用。若要進一步瞭解 PCB 阻抗控制，請參閱我們近期相關主題的文章。例如：應根據疊層仔細設計微帶線（Microstrip）和帶狀線（Stripline）配置，以保持一致的信號品質。

3) 散熱考量

雖然 FR4 本身不具備良好的熱導性，但可以採用一些策略使其更具導熱能力。例如，我們可以使用散熱孔（Thermal Vias）、鋪銅和散熱片來移除局部熱量。對於發熱量大的零組件，可以考慮使用金屬基板（MCPCB）。FR4 非常適合電源電子電路，如果您使用板載散熱片散熱，也可以實施上述其他方法來降低熱效應。良好的 PCB 熱管理可確保其使用壽命與耐用性。

4) 導通孔設計與長寬比

為了確保電鍍可靠性，導通孔的長寬比（板厚與鑽孔直徑之比）應保持在 8:1 到 10:1 之間。在耗電元件下方使用縫合孔（Via Stitching）連接地平面和散熱孔，以改善散熱。在高速設計中，必要時可使用背鑽（Backdrilling）來避免不必要的導通孔殘樁（Via Stubs）。我們近期發表過關於散熱孔配置和 PCB 設計中導通孔類型的文章，歡迎參閱。

5) 間距與淨空

在設計高速或高頻應用時，間距非常重要。這基本上是電磁數據流動的空間，任何對電磁波流動的阻礙都會直接導致串擾（Crosstalk）等問題。請遵循 IPC-2221 標準進行間距規劃：

• 線對線：標準製程 ≥ 0.15 mm (6 mil)。

• 焊墊對焊墊：根據零件封裝和組裝工藝確定。

• 板邊間距：在 PCB 邊緣附近的佈線請預留大於 0.3 mm 的空間。

對於高壓電路，可以根據適用的安全標準進一步增加間距。

6) 佈局與佈線

我們可以對零組件進行邏輯分組，以縮短走線長度並避免交叉。例如：類比和數位訊號應保持至少 4-5 mm 的距離。其他方法包括將去耦電容靠近 IC 的電源引腳放置，並保持差動對（Differential Pairs）緊密耦合，同時匹配差動對的走線長度。此外，為高速數位電路使用地平面鋪銅和保護走線，以提供雜訊耦合防護。

7) 信號完整性考量

雖然 FR4 支援一定程度的高速數位設計，但超過該限制後，由於其損耗角正切（Loss Tangent），信號衰減會隨著頻率進入數 GHz 而增加。儘管如此，我們仍可遵循一些規則：對於關鍵信號路徑，保持走線簡短並使用阻抗匹配。對於 3-4 GHz 以上的頻率，建議切換到其他低損耗材料，如 Rogers 或 PTFE（鐵氟龍）。

結論

使用 FR4 基板設計 PCB 提供了性能與成本之間的平衡。總結 FR4 的特性如下：

• 介電常數 (Dk)：約 4.2 到 4.8（隨頻率變化）。

• 損耗因數 (Df)：處於中等水平，取決於頻率，1 MHz 時約為 0.02。

• 熱傳導率：約 0.3 W/mK（散熱能力較弱）。

FR4 材料在 PCB 製造和組裝中非常受歡迎。它具備多樣化的屬性，涵蓋廣泛的溫度和頻率範圍。對於標準應用而言，FR4 材料的低成本也是其吸引力所在。