使用 FR-4 基材的 PCB 設計指引
1 分鐘
- 何謂 FR4?
- FR4 的分類與特性:
- 使用 FR4 進行 PCB 設計的 7 條準則
- 結論
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。
持續學習
光電二極體與光電晶體的差異
兩個世紀以來,光敏元件已被廣泛應用,主要用於無線應用。從自動路燈到您的電視遙控器。光電二極體和光電晶體管是實現此功能的兩種最受歡迎的元件。這裡的主要原理是將光能轉換為電信號,然後處理這些電信號以採取進一步行動。然而,光電二極體和光電晶體管的操作過程、信號類型和應用有顯著差異。了解這些差異可以幫助您為您的電子設計選擇合適的元件。 什麼是光電二極體? 光電二極體是一種半導體電子元件,當光線照射到預先封裝的矽、砷化鎵、砷化銦鎵、碳化矽或其他半導體晶圓的背面或正面時,會產生電荷(基於電子和電洞對)。光電二極體本質上是一個 PN 接面二極體,但以逆向偏壓操作。當施加逆向偏壓時,會形成一個空乏區。當光線照射到接面時,所產生的電子和電洞對被稱為光電流。 光電二極體的電路符號 (指向二極體的箭頭表示入射光。) 結構 光電二極體是一個單一的 PN 接面。它由半導體材料組成,例如用於可見光和近紅外應用的矽 (Si),或用於紅外應用的砷化鎵 (GaAs)。 工作原理: 光電二極體主要在逆向偏壓下工作。在逆向偏壓下,空乏區擴大,更多由光感應產生的載流子有機會支持電流。操作有兩種模式: 光伏模式(無外部電源) 當光電二極體......
印刷電路板上空白區域鋪銅的重要性
在 PCB 設計中,過多的空白區域沒有銅箔會對製造和最終產品的品質產生負面影響。放置銅箔填充意味著用平面銅填充 PCB 上未使用的空間。這是 PCB 設計的重要一環,所有主要的 PCB 設計軟體都能自動放置銅箔填充。銅箔填充有助於建立 EMC,因為它能降低接地阻抗、透過減少電壓降來提高電源效率,並透過縮小迴路面積來減輕 EMI。 JLCPCB 擁有五座自營的智慧生產基地,並一直使用業界領先的設備和原材料來生產高品質 PCB。JLCPCB 對 PCB 的所有生產環節都有卓越的控制。在本文中,我們將一窺 JLCPCB 工廠,探討 PCB 如何進行電鍍和蝕刻,並了解為什麼在未使用的板面區域進行銅箔填充很重要,以及使用銅箔填充時需要注意的事項。 您可能會問:將未使用的區域留白難道不會因為使用較少的銅而節省成本嗎?答案是:會,但在空白區域保留銅對品質和良率有好處,而這些更為重要。 未使用的區域留白 未使用的區域以銅箔填充 外層銅箔填充:雙層與多層板 一旦乾膜被應用到板子上後,它們會被放入電鍍液中,使用固定電流進行電鍍。 已完成圖像轉移的 PCB 準備進行電鍍 未被乾膜覆蓋的裸露銅面,在電流的作用下,會因溶液......
使用 Raspberry Pi 與 PCB 設計探索物聯網應用
物聯網(IoT)正在影響我們與科技互動的方式。它指的是一個由實體裝置、車輛、家用電器和其他嵌入電子元件、軟體、感測器和連線功能的物品所組成的網路,使這些物件能夠連接並交換資料。由於其靈活性和低成本,Raspberry Pi 這種小巧且價格實惠的電腦,已成為物聯網應用的熱門選擇。在本文中,我們將探討如何將 Raspberry Pi 和 PCB 設計結合使用,以創造創新的物聯網應用。 物聯網應用的一個重要面向是連接裝置所有元件的電路板設計。在規劃階段,必須定義物聯網裝置、選擇感測器和致動器、確立電源需求,以及選定通訊協定。設計人員若能遵循物聯網應用的最佳 PCB 設計指南,就能確保其裝置安全、可行且值得信賴。 遠端監控和先進的動物追蹤、非接觸式體溫監測和天氣狀況追蹤偵察,以及自動化灌溉系統,僅是 Raspberry Pi 可應用於眾多物聯網(IoT)項目中的一小部分。 由於其低成本、體積小和低功耗的特性,使其成為製作易於設定和維護的物聯網裝置的絕佳選擇。設計人員可以透過將 Raspberry Pi 與 PCB 設計相結合,來創建滿足其專案特定需求的客製化解決方案。 Raspberry Pi 與 PCB......
PCB拼板設計關鍵技術:從原型到量產的工藝規範
在PCB量產階段,拼板設計爲必需工藝環節,其核心目標是適配自動化生產線的物理約束與加工要求,保障生產連續性與良率穩定性。 一、拼板設計的量產必要性 PCB拼板(Panelization)的核心作用,在於適配自動化生產設備的機械約束。若無合規拼板設計,微型或異形單板難以完成SMT全製程。 1. 適配機械傳輸需求 SMT生產線導軌具有固定夾持尺寸,小規格單板無法被穩定抓取。增設工藝邊可使微型單板順利通過傳輸、貼片、迴流焊等全工序。 2. 優化生產效率 貼片機換線、對位存在固定耗時,採用多聯拼板(Array)可單次完成多片PCB加工,有效減少設備空轉時間,提升單位時間產能。 3. 強化元器件防護 邊緣含懸空器件或外形不規則的異形PCB,拼板結構可提供機械支撐,降低迴流焊高溫環境下的翹曲與變形風險。 二、V-Cut分板工藝:應用特性與適用範圍 V-Cut爲當前主流拼板分板工藝,通過在PCB上下表面加工V型槽,保留約1/3板厚實現單板連接。 1. 核心設計參數 剩餘連接厚度:常規取值0.3mm~0.5mm。厚度過大易導致分板困難,過小則焊接過程中易發生斷裂。 禁布區域:元器件中心與V-Cut線間距需≥2mm......
去耦電容 vs 旁路電容:有什麼差別
在現代電子電路中,電容器的兩大核心用途是儲存能量與調節訊號。在直流或低頻環境下,電容器形同開路,主要負責去耦合——穩定電源並濾除電壓變動;在高頻(交流)環境下,其阻抗降低,可充當旁路電容,將雜訊與不需要的訊號導向接地。 簡言之,電容器不是用於去耦合就是旁路——兩者聽來相近,實則角色截然不同。本文將拆解旁路與去耦合電容的差異,並說明兩者在電子設計中的關鍵性。 什麼是旁路電容? 旁路電容可將高頻雜訊從電路的特定位置導走,通常用於把電源線上的輸入雜訊接地,藉此「避開」雜訊,保護敏感元件。實務上我們會並聯兩顆不同值的電容來旁路,原因在於:旁路電容需盡量靠近 IC 的電源與接地腳,提供一條低阻抗路徑給交流雜訊。不同容值對應不同頻率的電抗:小容量對高頻更敏感,能更輕鬆地讓高頻通過。主要功能包括: 將高頻交流雜訊短路到地。 在接腳層級保持電源「乾淨」。 最常見的例子是晶體放大器中的射極旁路電容:把不需要的交流電流導離射極電阻,提升交流增益。 什麼是去耦合電容? 去耦合電容則用於隔離電路的不同級,兼具儲能功能。當電路在快速切換瞬間需要大電流時,它能就近提供能量,避免電壓跌落,穩定供電軌,降低電源漣波。常見於PMI......
分線板在電子原型製作中的角色
轉接板是原型設計的核心,幾乎涵蓋所有類型,從感測器到模組,再到開發板。當我們需要實現一個電路卻又不想用焊接方式連接時,轉接板就能派上用場。舉例來說,Arduino 擁有非常龐大的社群支援,如今其套件幾乎涵蓋所有感測器轉接板。你可以購買包含不同模組與感測器轉接板的套件,這些都與 Arduino 相容。本教學將著重介紹轉接板的類型以及如何挑選合適的板子,最後討論一些應用,並說明如何從轉接板過渡到真正的 客製化 PCB。 轉接板基礎 一塊轉接板基本上包含三個元件:首先是 PCB 本身,所有東西都將架構於其上;其次是主要的 IC 或感測器;最後為了讓一切協同運作,我們需要一些介面電路,例如電阻、電容等。這些元件共同構成轉接板。與不同微控制器的相容性也是必須考量的重點。如今我們有了可直接插入麵包板或母排的排針,便無需焊接,這讓轉接板成為遊戲規則的改變者。 假設我想在其他地方使用同一個模組,只需從第一個來源拔下,再插入第二個即可。我們通常採用 2.54 mm 排針作為標準,也與麵包板相容。我們將討論它們的類型。通常它們涵蓋溫度、壓力、加速度……只要你能說得出來,幾乎都能用轉接板測量。 轉接板類型 為此你需要了......