PCB 基材選擇的重要性：為什麼比你想像中更關鍵？

PCB 基材是電路板中唯一不需要親手畫出來的部分。您選好板厚、選擇 FR-4，便繼續設計。然而，即使一塊電路板通過所有電氣測試，仍可能因為鍍通孔孔壁失效而在實際使用後被退回。

層壓板更像鋼筋混凝土，而不是塑膠。編織玻璃纖維布相當於鋼筋，固化的環氧樹脂則相當於水泥。玻纖提供了電路板平面方向的大部分機械強度，但板厚方向沒有同等的補強結構。因此，樹脂在垂直方向的膨脹幅度遠大於水平方向。每次回焊時，這種膨脹都會對鍍通孔內部的銅孔壁施加應力。

圖 1：堆疊的覆銅層壓板與半固化片

本指南將介紹 PCB 基材 的實際作用、哪些層壓板特性在應用中最重要，以及這些特性如何影響可靠性與電氣性能。接著比較標準 FR-4、高 Tg、軟性及 RF 材料，並說明如何為您的設計選擇合適的基材。

什麼是 PCB 基材？

印刷電路板上的其他部分，不是銅箔，就是覆蓋在銅箔上的塗層。因此，基材必須同時完成兩項工作：

• 將所有結構固定在正確位置
• 使各導電層彼此絕緣隔離

PCB 基材是什麼？應用在哪些地方？

PCB 基材是支撐銅箔電路的絕緣基礎材料。在硬板中，它由編織玻璃纖維布與熱固性樹脂固化形成複合材料，並以覆銅層壓板的形式供應。每條走線都位於基材上，因此每增加一個電路層，就會再以另一層基材將其隔開。

實際上，這個名稱涵蓋以下四類產品：

• 剛性玻纖環氧樹脂層壓板： 由半固化片將已固化的核心板壓合在一起，是幾乎所有電路板的預設選擇。
• 聚醯亞胺 薄膜： 一種薄而柔軟、可折彎而不易開裂的基材，常用於 FPC 尾端與軟排線。
• 金屬核心層壓板： 將薄介電層壓合在鋁板或銅板上，以協助散熱。
• 碳氫化合物陶瓷或 PTFE 層壓板： 適用於數 GHz 以上訊號的低損耗材料。

因此，它們之間的差異主要取決於應用對耐熱、彎折與工作頻率的要求。

基材在 PCB 結構中的作用

覆銅層壓板是已固化的片材，單面或雙面貼合銅箔。蝕刻製程會移除不需要的銅，留下的電路便位於原本就在下方的絕緣材料上。製作多層板時，會將這些已蝕刻的核心板與 半固化片 交替堆疊。半固化片同樣由玻纖布與樹脂組成，但樹脂只完成部分固化，因此在最終硬化前，會先在高溫與壓力下軟化並流動。

因此，完成的四層板是一個連續的材料整體，而不是單純靠膠水黏合的三明治結構。基材還會決定三項日後無法調整的特性：走線與參考平面之間的介電質厚度，亦即阻抗；回焊時電路板在厚度方向的膨脹量；以及樹脂軟化並使銅箔失去附著力的溫度。

PCB 基材的核心功能

基材同時負責三項工作，而這些要求往往互相牽制。良好的絕緣性、剛性與散熱能力，很少能由同一種樹脂系統完全兼顧。

電氣絕緣與訊號性能

絕緣是基材最直接的功能，在低電壓下也相對容易達成。標準 FR-4 等級的體積電阻率超過 10^8 MΩ·cm，因此相鄰網路之間的漏電，幾乎不會成為一般訊號板的主要限制。相比之下，材料儲存電能的方式更重要。

• 介電常數，記為 Dk，用來描述這種儲能特性，並決定走線阻抗與訊號傳播延遲。標準 FR-4 在 1 MHz 時的 Dk 約為 4.5，到 1 GHz 時則會降至 4 左右的較低數值。
• 耗散因數，記為 Df，用來決定訊號有多少能量會在樹脂中轉化為熱。FR-4 在 1 GHz 時的 Df 約為 0.011 至 0.018。Rogers RO4350B 是碳氫化合物陶瓷層壓板，在 10 GHz 時的介電常數為 0.0037。這項差異正是 FR-4 上的 5 GHz 天線饋線每英吋會損失零點幾 dB 的原因。

機械支撐與熱管理

材料的剛性主要來自玻璃纖維布，而非樹脂。編織 E-glass 玻纖使標準層壓板沿經紗方向的抗彎強度達到約 500 MPa，因此電路板不會輕易因為較重的連接器或高大的電解電容而彎曲。

玻纖環氧樹脂的熱導率約為 0.3 W/mK，與其說是導熱材料，更接近隔熱材料。因此，幾乎所有的熱擴散工作都由銅平面承擔。這也是照明與電源電路板會改用其他基材的原因。

鋁基層壓板的熱導率約為 0.82 W/m·K，尚不到 FR-4 的三倍，但實測熱阻仍可低至約 0.198 °C/W。原因很簡單：熱量只需穿過約 0.1 mm 厚的材料層，而非 1.6 mm（63 mil）厚的板材。在 鋁基 PCB中，真正的散熱優勢來自大幅縮短的導熱路徑，而不只是金屬本身。

基材特性如何影響 PCB 可靠性

可靠性故障往往比想像中更常源於基材，而非銅箔，並且幾乎總與熱有關。每次回焊都會使電路板超過樹脂的軟化溫度。一旦樹脂軟化，材料的行為便不再符合一般的機械直覺。

圖 2：回焊時的 Z 軸膨脹拉伸鍍通孔孔壁

• Tg（玻璃轉移溫度）： Tg 是樹脂由堅硬的玻璃態轉變為較柔軟橡膠態的溫度。低於 Tg 時，電路板厚度方向的熱膨脹係數約為 40–65 ppm/°C；超過 Tg 後，這個數值可能躍升至 200 ppm/°C 以上。
• Z 軸膨脹： 比較不同層壓板時，一個實用指標是材料在 50 至 260°C 之間的 Z 軸總膨脹量。例如，生益 S1141 的數據為 4.5%，高 Tg 的 S1000-2M 則約為 2.4%。換算至 1.6 mm（63 mil）厚的電路板，膨脹量分別約為 72 µm 與 38 µm。鍍通孔孔壁必須承受這種位移。
• 水分會帶來另一項問題： 層壓板吸收的水分可能使這些失效情況惡化。加熱時，困在材料中的水分可能變成水蒸氣，將各層撐開。標準層壓板按重量計算的吸水率約為 0.09–0.15%。

PCB 基材材料介紹

FR-4 並不是單一材料，而是一種阻燃性與結構分類。因此，兩種層壓板都可以符合 FR-4 規範，但在烘箱中的表現卻完全不同。

FR-4 與其他常見 PCB 基材

FR-4 指的是第 4 類阻燃材料：以編織玻璃纖維補強的熱固性樹脂，且通過 UL94 V-0 燃燒測試。這項定義並未規定 Tg、分解溫度或膨脹量，因此同樣陳列在貨架上的兩種材料，其 Tg 可能相差 40°C。以下列出幾種常見層壓板等級，以及其重要特性與相關 IPC 分類：

高頻、高 Tg 與特殊材料

高 Tg 通常指以 DSC 量測的 Tg 達到 170°C 或以上，但這個溫度本身通常不是選購材料的唯一目的。真正的優勢是較低的膨脹量與更長的耐分層時間。這些特性來自實現高 Tg 所使用的填料及酚醛固化樹脂系統，而 如何選擇 PCB 的 Tg 則介紹了其中的取捨。

高頻層壓板主要解決的是訊號損耗，而非熱問題。Rogers RO4350B 是玻纖強化的碳氫化合物陶瓷材料，在 10 GHz 下的 Dk 為 3.48 ±0.05，Df 為 0.0037，並可使用標準環氧玻纖生產線製造。其熱導率為 0.69 W/mK，約為一般層壓板的兩倍。

PTFE 層壓板可進一步降低損耗，其 Dk 可接近 2.20，Df 則為 0.0009。即使在 Tg 以下，PTFE 層壓板的 Z 軸熱膨脹係數仍可能超過 200 ppm/°C，使其尺寸穩定性較差。因此，PTFE 通常用於專門的 RF 或天線電路板，而不是整個設計的通用基材。

不同應用的 PCB 基材類型

基材系列通常按樹脂化學組成分類，但實際選材更取決於實體形式：電路板需要保持平坦、能夠彎折，還是需要將熱量導出。

剛性 PCB 基材

剛性基材是以固化片材形式供應的玻纖環氧樹脂層壓板，涵蓋絕大多數已製造的電路板。標準成品厚度為 1.6 mm（63 mil）。依層數而定，JLCPCB 可製作厚度介於 0.4 至 4.5 mm（16 至 177 mil）的電路板。板材越薄，訊號層與參考平面之間的介電質就越薄，因此在走線寬度相同時，阻抗也會降低。這就是為什麼 0.8 mm（31 mil）厚的四層板與 1.6 mm 厚的四層板在佈線方式上有很大差異。玻纖環氧樹脂在平面方向的熱膨脹係數約為 12 至 15 ppm/°C，陶瓷封裝則約為 6 ppm/°C。這種差異使封裝四角的焊點在每次熱循環中承受應力，因此大型封裝通常最先從最外側焊點開始失效。

軟性與軟硬結合板基材

軟性電路以聚醯亞胺薄膜取代玻纖布，而不使用玻纖正是設計目的。聚醯亞胺能反覆彎折而不開裂，也能承受足以使環氧樹脂層壓板碳化的溫度。因此，同一種材料既可作為基膜，也可用作保護性覆蓋膜。

IPC-4204 是製造這類電路所用軟性金屬覆箔介電材料的規範。典型雙層軟板使用厚度 25 µm（1 mil）的聚醯亞胺核心薄膜，雙面均覆有銅箔。這種結構薄到足以折入鉸鏈，而 聚醯亞胺軟性電路的製造方式 則進一步介紹其餘的疊層結構。

高速與高溫應用的基材

頻率超過數 GHz 後，基材會成為主要的訊號損耗來源，而兩項不同的特性會造成影響。Df 使訊號能量在樹脂內轉化為熱；編織玻纖布的結構則使 Dk 沿走線長度方向產生變化。

圖 3：剛性、軟性、金屬核心及 RF 基材的並列比較

高溫應用則面臨另一種要求。引擎室或高密度電源轉換器可能使電路板長時間維持在 105°C。若材料的 Tg 只有 135°C，便代表它在整個使用壽命中都接近軟化點。將最高工作溫度保持在 Tg 以下 20 至 30°C，有助於使膨脹維持在可預測的線性範圍內。

如何選擇合適的 PCB 基材

基材選擇可分為兩個階段，但很多人會把順序弄反。應先確認電路的實際需求，再檢查板廠目前能提供哪些可壓合的材料。

電氣、熱與機械要求

從電路板上最快的訊號邊沿與溫度最高的元件開始評估，因為這兩項條件決定了基本要求。其他項目，包括板厚與防焊顏色，都可在確認基本要求後再行調整。

層數、疊層結構與製造相容性

當層數增加時，基材選擇就不再只是選一種材料，而是要考慮一組材料。四層板由核心板及多層半固化片組成。半固化片的玻纖布規格，會決定訊號層與其參考平面之間的介電質厚度。

不同半固化片規格不能任意互換。

• 7628： 壓合後形成較厚的介電層，Dk 約為 4.4。
• 3313： 壓合後形成較薄的介電層，Dk 約為 4.1。

因此，更換半固化片規格，可能同時改變最終層間厚度與有效介電常數。換句話說， 選擇合適的半固化片 會在您繪製第一條走線之前就改變阻抗。建議按以下順序規劃疊層結構，因為每個步驟都會限制下一個步驟的選擇：

圖 4：從電路需求到指定基材等級的決策流程

1. 根據機械與佈線需求，先確定成品板厚及層數。
2. 向板廠索取該板厚與層數組合的已公布 疊層結構 ，包括壓合後的實際介電質厚度。
3. 檢查該疊層結構使用的層壓板等級，是否符合先前設定的熱性能要求。
4. 在阻抗計算中輸入半固化片的實際 Dk，而不是使用通用的 4.5。
5. 在製造備註中寫明材料等級或 IPC 分項規格表，確保要求能延續至正式生產。

非標準層壓板通常會帶來最低訂購量限制與更長交期。因此，已備有現貨且符合需求的材料，往往比需要另外採購、性能只略佳的材料更合適。

JLCPCB 如何將合適基材轉化為可靠的 PCB

板廠對基材品質有兩項重要影響：一是日常備有哪些層壓板材，二是能否在製造完成後證明實際使用了哪些材料。

將基材選擇與 JLCPCB 製造能力相匹配

JLCPCB 使用來自南亞、建滔及生益的 A 級 FR-4 層壓板材製造標準硬板訂單，涵蓋 1 至 32 層。 JLCPCB 認證頁面 提供實際供應商的材料規格書，因此可以在下單前查閱前文列出各材料等級的數據。FR-4 以外的材料選擇較有限，事先了解製程限制有助於避免重新設計。鋁核心板與銅核心板僅支援單層；RF 板使用 Rogers 或 PTFE 核心板及 1 oz 銅，為雙層結構。 聚醯亞胺軟板提供 1、2、4 層配置，內部介電質厚度可為 25 或 50 µm（1 或 2 mil）。

從材料管制到一致的 PCB 品質

材料管制早在壓合前就已開始。層壓板與半固化片需要在受控溫濕度環境中存放，因為半固化片會吸收水分，進而降低黏合強度。例如，生益部分半固化片規定在低於 23°C 的環境下，儲存期限僅為三個月，因此妥善儲存及庫存輪替非常重要。

圖 5：從層壓板檢驗到成品電路板的基材管制流程

在設計階段，整個流程相當直接：

• 決定電路板的熱性能及工作頻率要求。
• 選擇符合這些要求的層壓板等級。
• 在製造備註中清楚指定材料。
• 上傳設計檔案以取得製造報價。
• 在核准生產前，先檢查 DFM 報告。

PCB 基材常見問題

結論

當您將 FR-4 視為材料類別，而非單一產品時，PCB 基材就不再只是訂單上的一個勾選項目。兩種具有相同 UL 分類的層壓板，Tg 可能相差 40°C，Z 軸膨脹量則可能相差近一半。後者會決定鍍通孔孔壁能否承受數年的熱循環。這些都不是罕見或複雜的特性，只是列在大多數設計者從未翻閱的規格書中。

養成三個習慣，就能獲得大部分改善效果：不要只寫 FR-4，而應指定材料等級或 IPC-4101 分項規格表；Dk 應取自板廠公布的疊層結構，而不是憑記憶估算；並將工作溫度維持在遠低於 Tg 的範圍。電路板持續朝更薄、更密集及更高熱負載發展，過去足以掩蓋材料選擇疏忽的裕量正在縮小。JLCPCB 公開供應商材料規格書，因此每次設計時都能快速完成這項檢查。