PCB 材料完整指南：FR-4、Rogers、銅箔、防焊層與基材選擇

印刷電路板（PCB）是現代電子產品不可或缺的重要組成部分。這些電路板連接並支撐電子元件，為電氣訊號與電力傳輸提供穩定的平台。典型的 PCB 由多層不同的材料壓合而成，形成一個完整結構。

PCB 是電子製造流程中的重要部分。從消費性電子產品到汽車與航太應用都會使用 PCB，對電子裝置的正常運作至關重要。

PCB 使用的材料類型

1. 基材

基材是 PCB 的基礎材料，也是其他材料堆疊與形成電路結構的基礎。PCB 基材通常採用玻璃纖維增強環氧樹脂，也就是 FR-4。其他基材類型包括 CEM-1、CEM-3、聚醯亞胺（PI）以及 Rogers。基材的選擇取決於工作溫度、介電強度與成本等特定需求。

選擇基材時常見的考量因素包括：

- 介電常數：介電常數用來衡量基材儲存電能的能力。較高的介電常數可能造成訊號損耗與干擾，尤其是在高速數位或 RF 電路中。

- Tg（玻璃轉化溫度）：Tg 是基材由剛性狀態轉變為較柔軟狀態時的溫度。汽車與航太電子等高溫應用需要較高的 Tg，因為它有助於電路板在焊接與實際工作期間維持機械穩定性。  

- CTE（熱膨脹係數）：CTE 用來衡量基材隨溫度變化而膨脹或收縮的程度。當 PCB 必須在較大的溫度範圍內維持形狀與尺寸時，需要較低的 CTE，以降低焊點失效與導通孔裂紋的風險。  

- 吸濕率：會吸收水氣的基材，可能在組裝與實際工作期間造成分層等問題。大多數應用都希望基材具有較低的吸濕率，特別是在潮濕或戶外環境中。

實際設計中，選擇合適的基材往往需要在不同特性之間進行取捨。例如，具備優異高頻性能的材料可能成本較高，或機械強度較低。了解這些材料特性，有助於設計人員在最終產品中獲得更好的可靠度與訊號完整性。

2. 銅箔

銅箔用來形成 PCB 表面的導電走線。銅箔主要分為兩種類型：壓延銅箔與電解銅箔。銅箔的選擇取決於 PCB 所需要的厚度、純度及表面粗糙度等因素。

- 厚度：銅箔厚度會決定走線的載流能力。高電流應用需要使用較厚的銅箔。

- 純度：純度較高的銅箔具有更高的導電性，並且與基材之間通常具有更好的附著力。

- 表面粗糙度：銅箔的表面粗糙度會影響防焊層的附著力以及焊點品質。

3. 防焊層

防焊層是塗覆在 PCB 表面的保護塗層，用來避免焊接過程中的焊錫橋接及其他缺陷。防焊層類型包括液態感光防焊層（LPI）、乾膜防焊層（DFSM）以及熱固化防焊層（TCS）。防焊層的選擇取決於 PCB 所需要的耐化學性、附著力與絕緣電阻等因素。

- 耐化學性：防焊層必須能抵抗 PCB 組裝製程中所使用的化學物質。

- 附著力：防焊層必須能良好附著於基材與銅箔，以避免分層及其他問題。

- 絕緣電阻：防焊層必須在走線周圍提供足夠的絕緣能力，以避免短路。

4. 絲印

絲印用來在 PCB 表面印製文字與圖形。絲印通常可以分為兩種類型：

元件絲印：這類絲印用於印製參考標號、元件外框及其他有助於識別 PCB 上元件的資訊。元件絲印通常採用白色或黑色油墨，並位於 PCB 的元件面。

標示絲印：這類絲印用來印製提供 PCB 額外資訊的文字與圖形，例如電路板名稱、公司 Logo 以及其他相關資訊。標示絲印通常採用白色或黑色油墨，並位於 PCB 的焊接面。

- 可讀性：絲印必須在不同光線條件與觀看角度下保持清楚可讀。

- 耐久性：絲印必須能承受 PCB 組裝與使用期間的磨損。

5. 黏著劑

黏著劑用來將 PCB 的不同層結合在一起。PCB 最常使用的黏著劑包括環氧樹脂與壓克力黏著劑。黏著劑的選擇取決於熱穩定性及耐化學性等因素。

- 熱穩定性：黏著劑必須在較大的溫度範圍內維持其黏接強度。

- 耐化學性：黏著劑必須能抵抗 PCB 組裝製程中使用的化學物質。

- 耐濕性：黏著劑必須具備良好的耐濕能力，以避免分層及其他問題。

PCB 材料的選擇通常需要在不同特性之間進行取捨。例如，高 Tg 基材可能具有較低的 CTE，但成本也可能更高。同樣地，高純度銅箔具有更好的導電性，但價格通常也比較高。材料選擇取決於 PCB 的具體要求，因此往往需要在不同性能之間取得平衡。

PCB 常用基材類型

FR-4 基材

FR-4 基材是 PCB 中最常見的基材類型。它由編織玻璃纖維布浸漬環氧樹脂製成。FR-4 基材具有優異的電氣特性，包括較低的介電常數與良好的絕緣電阻。同時也具有較高的 Tg，因此適合高溫應用。FR-4 基材成本相對較低，而且市場供應非常普遍。

憑藉各項性能之間的良好平衡，FR-4 已成為電子產業最常使用的基礎材料。它具有良好的機械強度、阻燃性與加工性，因此從簡單的單層板到複雜的多層板設計都適用。在實際應用中，FR-4 可可靠地應用於消費性電子、工業控制與汽車電子等工作溫度適中的產品。

聚醯亞胺（PI）基材

聚醯亞胺（PI）基材主要用於需要高溫耐受能力的應用。它具有比 FR-4 更高的 Tg，因此適合航太與工業電子應用。PI 基材同時具有柔性，因此也適合用於軟性 PCB。不過，PI 基材的成本比 FR-4 更高，而且吸濕率也較高。

聚醯亞胺的柔性與耐熱能力，使其特別適合需要反覆彎折或承受劇烈溫度變化的應用。雖然較高的成本與吸濕敏感性需要額外的設計考量，例如適當的密封或塗層，但 PI 能實現剛性材料無法達成的薄型、輕量且高可靠度軟性電路。

Rogers 基材

Rogers 基材是一種高頻基材，主要用於需要控制訊號損耗的應用。它具有較低的介電常數與低損耗因子，因此適合高頻應用。Rogers 基材的成本高於 FR-4，而且 Tg 較低。

在高頻設計中，即使介電特性只有細微差異，也可能造成明顯的訊號劣化、阻抗不匹配及插入損耗增加。Rogers 材料能有效改善這些問題，在較大的頻率與溫度範圍內提供穩定的電氣性能。因此，它特別適用於 5G 基地台、雷達系統與高速資料傳輸設備等進階應用；在這些環境中，一般 FR-4 已經無法滿足需求。

PCB 常用銅箔類型

壓延銅箔

壓延銅箔是將銅片透過一系列滾輪加工製成。壓延銅箔通常比電解銅箔更薄，而且表面更加平滑。它適合需要薄型、高品質銅表面的應用，例如細間距電路與高頻電路。

電解銅箔

電解銅箔是透過電鍍製程，在薄基材上沉積一層銅形成。電解銅箔通常比壓延銅箔更厚，而且表面較粗糙。它適合需要較高載流能力的應用，例如電源供應器與大電流電路。

銅箔厚度通常以盎司表示，例如 1oz 或 2oz，它會直接影響走線的載流能力與散熱能力。設計人員需要在銅厚、走線寬度、製造能力及成本之間取得平衡，才能獲得最佳的電氣與熱性能。

PCB 常用防焊層類型

以下是 PCB 最常見的三種防焊層：

液態感光防焊層（LPI）

LPI 防焊層是一種液態材料，先塗覆於 PCB 表面，再透過光罩接受紫外線（UV）曝光。未受到 UV 光照射的區域之後會被清洗移除，留下所需的防焊圖案。LPI 防焊層具有容易施工、高解析度及與基材附著力優異等特點，因此非常普遍。它同時提供多種顏色，可用於 PCB 顏色識別。不過，LPI 防焊層可能比其他類型成本更高，而且在高頻應用中可能影響訊號完整性。

乾膜防焊層（DFSM）

DFSM 防焊層是一種乾膜材料，透過壓合方式貼附至 PCB 表面。之後利用光罩進行 UV 曝光，並移除未曝光區域，留下需要的防焊圖案。DFSM 防焊層因成本較低、施工方便且與基材具有良好附著力而受到使用。不過，DFSM 的精度可能低於 LPI 防焊層，而且表面可能稍微較粗糙。

熱固化防焊層（TCS）

TCS 防焊層是一種液態材料，塗覆到 PCB 表面後再透過加熱進行固化。TCS 防焊層通常應用於高溫環境，可承受最高約 300°C 的溫度。它具有優異的耐化學性以及與基材良好的附著力。不過，TCS 防焊層的施工可能比其他類型更困難，而且可能需要額外的製程步驟。

PCB 常用黏著劑類型

以下是 PCB 中最常見的三種黏著劑：

環氧樹脂黏著劑

環氧樹脂黏著劑是 PCB 製造中常見的黏著材料。它具有優異的附著力與熱穩定性，因此適合高溫應用。環氧樹脂同時能抵抗化學物質與水氣，非常適合嚴苛環境。一般會將薄薄一層環氧樹脂黏著劑塗覆於 PCB 表面，再透過加熱完成固化。

壓克力黏著劑

壓克力黏著劑也是 PCB 製造常見的黏著材料。它具有良好的附著力與耐化學性，因此適合嚴苛環境。壓克力黏著劑也能抵抗 UV 光與水氣，因此適合戶外應用。通常會以薄膜方式貼附在 PCB 表面，再透過加熱完成固化。

聚氨酯黏著劑

聚氨酯黏著劑因具有優異的黏接強度與柔性，而被應用於 PCB 製造。它常見於軟性 PCB 以及其他需要柔性的應用。聚氨酯黏著劑同時具有良好的耐化學性與耐濕性，因此適合嚴苛環境。通常會以薄膜形式塗覆於 PCB 表面，再透過加熱完成固化。

除了這些黏著劑之外，多層 PCB 結構還廣泛使用半固化片（Prepreg，也就是 B-stage 環氧樹脂浸漬玻璃布）作為主要黏合材料。Prepreg 不只負責將不同層壓合在一起，同時也能在銅層之間形成一致的介電間距，對阻抗控制與整體電路板可靠度非常重要。正確選擇與加工黏合材料，是避免分層並確保電路板在熱應力及機械應力下維持長期性能的重要條件。

PCB 材料常見問題

結論

隨著科技持續發展，市場對更小、更快且性能更強的電子裝置需求，將持續推動 PCB 新材料與新技術的發展。材料選擇在 PCB 設計與製造中的重要性也會持續提高，設計人員與製造商都需要持續掌握材料科學與相關技術的最新發展。

總而言之，PCB 材料選擇是設計與製造流程中的關鍵步驟，必須選擇能符合 PCB 特定要求的材料，同時在不同性能之間取得適當平衡。搭配高品質材料、完善設計與穩定製造流程，才能製作出可靠、性能良好且具有長使用壽命的 PCB。