FR-4是印刷电路板最常用的材料，由玻璃纤维和环氧树脂组成。它坚固、重量轻，并提供良好的绝缘性，使其最适合许多电子产品。本文解释了 FR-4 的结构、性能、等级、限制和设计因素，并提供了有关何时以及如何使用它的详细信息。
FR-4 概述
FR-4 是用于制造印刷电路板 （PCB） 的最常用材料。它由玻璃纤维和环氧树脂制成，使其既坚固又具有良好的绝缘性。FR 的意思是阻燃，这意味着它可以抵抗燃烧，但这并不总是意味着它符合严格的 UL 94 V-0 消防安全标准。
这种材料很受欢迎，因为它重量轻、耐用且价格实惠。它还能很好地防潮和防热，有助于电子电路保持稳定。使用 FR-4 的另一个原因是它可以轻松成型为单层或多层板，而不会增加太多成本。
FR-4层压板结构
该图显示了 FR-4 层压板的层状结构;印刷电路板 （PCB） 中最常用的材料。在顶部和底部，铜箔片形成导电层，稍后将蚀刻成电路图案。这些铜片之间是核心：浸渍有环氧树脂的玻璃编织织物。玻璃编织提供机械强度和尺寸稳定性，而环氧树脂则结合纤维并增加刚度。它们共同创造了一个绝缘而耐用的底座。铜箔、玻璃纤维和环氧树脂的结合使 FR-4 坚固、阻燃，是支撑和保护 PCB 走线的理想选择。
FR-4的电气性能
| 参数 | FR-4 系列 |
|---|---|
| 介电常数 （Dk） | 3.8 – 4.8 |
| 耗散因数 （df） | \~0.018 – 0.022 |
| 介电强度 | >50 kV/mm |
| 稳定性 | 随频率和玻璃编织而变化 |
FR-4的热性能
| 物业 | 标准FR-4 | 高级FR-4 |
|---|---|---|
| 玻璃化转变温度 （Tg） | 130–150 °C | ≥180 °C |
| 分解温度 （Td） | >300 °C | >300 °C |
| 分层时间 （T260 / T288） | 更低的电阻 | 更高的电阻 |
FR-4 厚度和叠层选项
| 厚度/类型 | 优势 | 限制 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 薄型 （<0.5 mm） | 轻巧、紧凑、可灵活加工 | 易碎、装配时更难处理 | 标准 （1.6 mm） | 行业默认、广泛使用、经济高效 | 可限制超紧凑或高密度设计 | 厚 （>2 mm） | 提供刚度和更好的抗振性 | 增加整体重量和成本 |
| 定制多层叠层 | 支持阻抗控制，支持高速信号，改善EMI屏蔽 | 需要精确的制造工艺，成本更高 |
使用 FR-4 进行 PCB 设计
• 消费电子产品 - 它提供了一种稳定的基材，可以满足日常使用和基本电力需求。
• 工业控制和自动化 - FR-4 在需要耐用性和长期一致功能的系统中提供稳定的性能。
• 电源和转换器 - 对于工作频率低于非常高频率的电路，FR-4 可提供满足要求的绝缘和性能。
• 成本敏感型设计 - 当预算很重要时，FR-4 允许您在不牺牲可靠性的情况下降低生产成本。
FR-4 的局限性和更好的替代方案
当FR-4不合适时
• 高频电路 - 在大约 6-10 GHz 以上，FR-4 会导致更高的信号损耗，这使得它不适合先进的射频或微波设计。
• 超高数据速率 - 对于 PCIe Gen 5 及更高版本 （25+ Gbps） 等速度，FR-4 会增加过多的延迟和插入损耗，从而降低信号完整性。
• 高温条件 - 当暴露在高于约 150 °C 的温度下时，标准 FR-4 开始分解得更快，因此在此类环境中长期使用不可靠。
FR-4 的替代品
| 材质 | 使用案例 |
|---|---|
| 罗杰斯层压板 | 需要低信号损耗的射频和微波设计 |
| 聚四氟乙烯复合材料 | 用于精密高频电路的超低介电损耗 |
| 聚酰亚胺 | 恶劣环境中的高温耐久性 |
| 陶瓷 | 在压力下实现极致性能和耐用性 |
FR-4 等级和用途
标准 FR-4
标准 FR-4 的玻璃化转变温度 （Tg） 约为 130–150 °C。 它是最常见的牌号，用于电子、办公设备和标准工业控制系统。
高 Tg FR-4
高 Tg FR-4 提供 170–180 °C 或更高的 Tg。该牌号是无铅焊接工艺所必需的，用于汽车电子、航空航天板和其他需要更高热稳定性的设计。
高 CTI FR-4
高 CTI FR-4 提供 600 或更高的比较跟踪指数 （CTI）。它被选用于需要安全爬电距离和电气间隙的电源、转换器和高压电路。
无卤 FR-4
无卤素 FR-4 具有与标准或高 Tg 类型相似的特性，但它避免了卤素基阻燃剂。它用于必须符合 RoHS 和 REACH 环境标准的环保设计。
FR-4 中的信号完整性问题
问题
FR-4 使用玻璃编织织物来增强强度，但这种编织并不完全均匀。在布线差分对时，一条走线可能主要穿过具有较高介电常数的玻璃束，而另一条走线可能穿过具有较低介电常数的树脂。这种不均匀的曝光导致信号以略有不同的速度传播，从而产生所谓的光纤编织偏斜。
影响
两个信号之间的速度差异导致时序不匹配。在高数据速率下，这种不匹配表现为差分偏斜、抖动增加，甚至眼图闭合。这些影响会降低信号完整性并限制高速通信通道的性能。
解决方案
将差分对与编织成 10-15° 角布线有助于防止迹线直接与玻璃束对齐。选择铺展玻璃织物，如3313款式，可以使介电性能全面均匀。交错的差分对确保两个走线遇到相似的材料混合物。时序仿真中的预算偏差允许您在制造之前预测和考虑这些影响。
FR-4 中的水分和可靠性风险
水分的影响
• 回流焊过程中 Tg 降低 - 吸收的水分会降低玻璃化转变温度，从而使材料在焊接过程中不太稳定，并可能导致分层。
• 介电退化 - 在高频下，水分会增加介电损耗，从而降低 GHz 速度设计中的信号质量。
• 导电阳极丝 （CAF） - CAF 是最严重的风险之一，当铜离子在电偏置下通过环氧树脂迁移时，就会发生 CAF，形成隐藏的导电路径，可能导致走线或过孔之间的短路。
减少水分问题
• 将木板干燥并密封存放以防止潮湿。
• 如果板暴露在潮湿环境中，请在使用前烘烤它们。
• 选择耐 CAF 的 FR-4 进行高密度或高压设计。
• 遵循 IPC 的间距规则，以降低短路风险。
购买 FR-4 前要检查的因素
• 指定层压板等级和 IPC-4101 斜线片以避免混淆。
• 包括预期工作频段的特定频率介电常数 （Dk） 和耗散因数 （Df） 值。
• 确认 Tg ≥ 170 °C 和 Td > 300 °C 的热要求，以实现无铅焊接和长期热稳定性。
• 指出高速层的铜箔粗糙度，以最大限度地减少插入损耗。
• 在为高压路径设计时，请注意比较跟踪指数 （CTI） 额定值。
• 选择耐 CAF 层压板用于密集过孔场或高压应用。
• 添加处理或储存说明以控制水分并防止分层。
• 要求为差分对使用铺展玻璃织物，以减少纤维编织偏斜。
结论
FR-4 具有强度、绝缘性和成本效益，这就是它仍然是标准 PCB 材料的原因。尽管如此，它在高频、高速或高温条件下仍存在局限性。通过了解其电气、热和可靠性因素，并选择合适的牌号，您可以确保稳定的性能，或者在设计需要时切换到更好的替代品。
常见问题 [FAQ]
FR-4 中的 IPC-4101 是什么？
这是定义 FR-4 层压板特性（如 Tg、Dk 和吸湿性）的标准。
FR-4 与金属芯 PCB 有何不同？
FR-4 用于一般 PCB，而金属芯 PCB 则使用铝或铜以获得更好的散热效果。
FR-4 可以用于柔性 PCB 吗？
不，FR-4 是刚性的。它只能是带有聚酰亚胺层的刚柔结合设计的一部分。
FR-4的吸湿性是多少？
大约 0.10–0.20%，如果烘烤或储存不当，会降低稳定性。
FR-4 适合高压电路吗？
是的，高 CTI 等级 （CTI ≥ 600） 用于电源和转换器。
为什么铜箔粗糙度在 FR-4 中很重要？
粗糙的箔片会增加信号损失;光滑的箔片提高了高速性能。