FR-4是印刷電路板最常用的資料，由玻璃纖維和環氧樹脂組成。它堅固、重量輕，並提供良好的絕緣性，使其最適合許多電子產品。本文解釋了 FR-4 的結構、性能、等級、限制和設計因素，並提供了有關何時以及如何使用它的詳細資訊。
FR-4 概述
FR-4 是用於製造印刷電路板 （PCB） 的最常見材料。它由玻璃纖維和環氧樹脂製成，使其既堅固又具有絕緣性。FR 的意思是阻燃，這意味著它可以抵抗燃燒，但這並不總是意味著它符合嚴格的 UL 94 V-0 消防安全標準。
這種材料很受歡迎，因為它重量輕、耐用且價格實惠。它還能很好地防潮和耐熱，有助於電子電路保持穩定。使用FR-4的另一個原因是它可以很容易地成型為單層或多層板，而不會增加太多成本。
FR-4層壓板結構
此圖顯示了 FR-4 層壓板的分層結構;印刷電路板 （PCB） 中最常用的材料。在頂部和底部，銅箔片形成導電層，隨後將蝕刻成電路圖案。這些銅片之間是核心：浸漬有環氧樹脂的玻璃編織織物。玻璃編織提供機械強度和尺寸穩定性，而環氧樹脂則結合纖維並增加剛度。它們共同創造了一個絕緣且耐用的底座。銅箔、玻璃纖維和環氧樹脂的組合使FR-4堅固、阻燃，是支撐和保護PCB走線的理想選擇。
FR-4的電氣性能
| 參數 | FR-4 系列 |
|---|---|
| 介電常數 （Dk） | 3.8 – 4.8 |
| 耗散因數 （Df） | \~0.018 – 0.022 |
| 介電強度 | >50 kV/mm |
| 穩定性 | 隨頻率和玻璃編織而變化 |
FR-4的熱性能
| 物業 | 標準 FR-4 | 高級FR-4 |
|---|---|---|
| 玻璃化轉變溫度 （Tg） | 130–150 °C | ≥180 °C |
| 分解溫度 （Td） | >300 °C | >300 °C |
| 分層時間 （T260 / T288） | 較低的電阻 | 更高的電阻 |
FR-4 厚度和疊層選項
| 厚度/類型 | 優點 | 限制 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 薄型 （<0.5 mm） | 輕量化、小巧、可靈活化 | 易碎、組裝時更難處理 | 標準 （1.6 mm） | 業界預設、廣泛使用、經濟高效 | 可限制超小型或高密度設計 | 厚型 （>2 mm） | 提供剛度和更好的抗振性 | 增加整體重量和成本 |
| 客製化多層疊層 | 實現阻抗控制，支持高速信號，並改善 EMI 屏蔽 | 需要精確的製造工藝，成本更高 |
使用FR-4進行PCB設計
• 消費性電子產品 - 它提供穩定的基材，可以滿足日常使用和基本電力需求。
• 工業控制和自動化 - FR-4 在需要耐用性和長期一致功能的系統中提供穩定的性能。
• 電源和轉換器 - 對於工作頻率低於非常高頻率的電路，FR-4 可提供滿足要求的絕緣和性能。
• 成本敏感型設計 - 當預算很重要時，FR-4 可讓您在不放棄可靠性的情況下降低生產成本。
FR-4 的局限性和更好的替代方案
當FR-4不合適時
• 高頻電路 - 在大約 6-10 GHz 以上，FR-4 會導致更高的訊號損耗，這使得它不適合先進的射頻或微波設計。
• 超高數據速率 - 對於 PCIe Gen 5 及更高版本 （25+ Gbps） 等速度，FR-4 會增加過多的延遲和插入損耗，從而降低信號完整性。
• 高溫條件 - 標準 FR-4 在暴露於高於約 150 °C 的溫度時開始分解得更快，因此在此類環境中長期使用不可靠。
FR-4 的替代品
| 材質 | 應用案例 |
|---|---|
| 羅傑斯層壓板 | 需要低訊號損耗的 RF 和微波設計 |
| 聚四氟乙烯複合材料 | 超低介電損耗，適用於精密高頻電路 |
| 聚醯亞胺 | 在惡劣環境下保持高溫耐久性 |
| 陶瓷 | 在壓力下實現極致性能和耐用性 |
FR-4 等級和用途
標準FR-4
標準 FR-4 的玻璃化轉變溫度 （Tg） 約為 130–150 °C。 它是最常見的牌號，用於電子、辦公設備和標準工業控制系統。
高 Tg FR-4
高 Tg FR-4 提供 170–180 °C 或更高的 Tg。該牌號是無鉛焊接工藝所必需的，用於汽車電子、航空航天板和其他需要更高熱穩定性的設計。
高 CTI FR-4
High-CTI FR-4 提供 600 或更高的比較追蹤指數 （CTI）。它被選用於需要安全沿面距離和電氣間隙的電源、轉換器和高壓電路。
無鹵素FR-4
無鹵素 FR-4 具有與標準或高 Tg 類型相似的特性，但它避免了鹵素基阻燃劑。它用於必須符合RoHS和REACH環境標準的環保設計。
FR-4 中的訊號完整性問題
問題
FR-4 使用玻璃編織織物來提高強度，但這種編織並不完全均勻。在佈線差分對時，一條走線可能主要經過具有較高介電常數的玻璃束，而另一條走線可能經過具有較低介電常數的樹脂。這種不均勻的曝光導致信號以略有不同的速度傳播，從而產生所謂的光纖編織偏斜。
影響
兩個信號之間的速度差異導致時序不匹配。在高數據速率下，這種不匹配表現為差分偏斜、增加抖動，甚至眼圖閉合。這些影響會降低訊號完整性並限制高速通訊通道的效能。
解決方案
將差分對與編織成 10-15° 角佈線有助於防止走線直接與玻璃束對齊。選擇鋪展玻璃織物，如3313款式，可以使介電性能全面均勻。交錯的差分對確保兩種走線遇到相似的材料混合。時序模擬中的預算偏差可讓您在製造之前預測並考慮這些影響。
FR-4 中的水分和可靠性風險
水分的影響
• 回流焊過程中的 Tg 降低 - 吸收的水分會降低玻璃化轉變溫度，從而使材料在焊接過程中不太穩定，並可能導致分層。
• 介電退化 - 在高頻下，水分會增加介電損耗，從而降低 GHz 速度設計中的訊號品質。
• 導電陽極絲 （CAF） - CAF 是最嚴重的風險之一，當銅離子在電偏置下遷移穿過環氧樹脂時，就會發生 CAF，形成隱藏的導電路徑，可能導致走線或過孔之間短路。
減少潮濕問題
• 將木板乾燥並密封存放以防止潮濕。
• 如果板暴露在潮濕環境中，請在使用前烘烤它們。
• 選擇耐 CAF 的 FR-4 進行高密度或高壓設計。
• 遵循 IPC 的間距規則，以降低短路風險。
購買FR-4前要檢查的因素
• 指定層壓板等級和 IPC-4101 斜線片以避免混淆。
• 包括預期工作頻段的頻率特定介電常數 （Dk） 和耗散因數 （Df） 值。
• 確認 Tg ≥ 170 °C 和 Td > 300 °C 的熱要求，以實現無鉛焊接和長期熱穩定性。
• 指出高速層的銅箔粗糙度，以最大限度地減少插入損耗。
• 在為高壓路徑設計時，請注意比較追蹤指數 （CTI） 額定值。
• 選擇耐 CAF 層壓板用於密集過孔場或高壓應用。
• 添加處理或儲存說明以控制水分並防止分層。
• 要求為差動對使用展展玻璃織物，以減少纖維編織偏斜。
結論
FR-4 具有強度、絕緣性和成本效益，這就是它仍然是標準 PCB 材料的原因。儘管如此，它在高頻、高速或高溫條件下仍存在局限性。透過了解其電氣、熱和可靠性因素，並選擇合適的牌號，您可以確保穩定的性能，或在設計需要時切換到更好的替代品。
常見問題 [FAQ]
FR-4 中的 IPC-4101 是什麼？
這是定義 FR-4 層壓板性能（如 Tg、Dk 和吸濕性）的標準。
FR-4 與金屬芯 PCB 有何不同？
FR-4適用於一般PCB，而金屬芯PCB則使用鋁或銅來更好地散熱。
FR-4可以用於柔性PCB嗎？
不，FR-4 是剛性的。它只能是具有聚醯亞胺層的剛柔結合設計的一部分。
FR-4的吸濕性是多少？
大約 0.10–0.20%，如果烘烤或儲存不當，會降低穩定性。
FR-4 適合高壓電路嗎？
是的，高 CTI 等級 （CTI ≥ 600） 用於電源和轉換器。
為什麼銅箔粗糙度在FR-4中很重要？
粗糙的箔片會增加信號損失;光滑的箔片提高了高速性能。