FR4 PCB 終極指南 2024
FR4 PCB 是最廣泛使用的 PCB 類型之一，因為它提供了出色的效能平衡, 成本效益, 我們是嵌入式系統領域的專家. 然而, 您對這種多功能材料真正了解多少? 在這份綜合指南中, 我們將從各方面介紹FR4電路板，確保您對FR4電路板有透徹的了解.
FR4 代表什麼?
FR4 是縮寫，代表 “阻燃劑 4.” 這 “阻燃劑” 名稱的一部分錶示該材料具有阻燃性, 和 “4” 名稱中的「阻燃」指的是阻燃材料的特定等級或分類. FR4是一種複合結構材料, 由玻璃布增強環氧樹脂組成, 提供結構完整性和電絕緣性能.
什麼是FR4 PCB板?
FR4 PCB板是指使用FR4材料構造的印刷電路板. 製造過程始於使用FR4作為電路板的絕緣核心層. 隨後, FR4 板材的每一面都塗有一層銅, 將其轉變為所謂的覆銅板 (覆銅板). FR4 和銅層的這種組合確保 PCB 具有各種電子應用所需的絕緣性和導電性.
FR4 PCB板的特性
阻燃性
顧名思義, FR4板具有阻燃性. 在環氧樹脂中添加阻燃添加劑有助於防止或減緩火勢蔓延, 增強電子設備的安全性.
電氣絕緣
FR4 PCB具有優異的電氣絕緣性能, 由於環氧樹脂基質. 這確保了穿過銅跡線的電訊號彼此隔離, 防止短路和訊號幹擾.
機械強度
FR4電路板中的編織玻璃纖維增強材料提供了強大的機械強度和耐用性. 此特性確保電路板能夠承受振動, 影響, 以及在各種應用中遇到的其他物理應力.
介電特性
FR4 PCB板具有良好的介電性能, 例如相對較低的介電常數和損耗因數. 這些特性對於高頻應用和訊號完整性非常重要.
耐熱性
FR4 板可以承受中等溫度，而不會失去完整性或明顯變形. 這種耐熱性對於電路板組件在運作時產生熱量的應用至關重要.
下圖列出了FR4印刷電路板的關鍵參數:
進一步閱讀: FR4 熱導率綜合指南
FR4電路板的局限性
• 絕緣穩定性約束
• 高頻時阻抗不穩定
• 訊號損失注意事項
FR4 PCB 有一定的局限性，應予以考慮, 尤其是在特定的應用或環境中:
• 絕緣穩定性約束
FR4 的缺點之一是在功率過大時其工作範圍有限, 電壓, 或熱. 儘管 FR4 充當銅層之間的電絕緣體, 如果超過操作限制，其介電性能可能會降低. 在涉及高溫的場景中, 例如航空航天應用, FR4 PCB 可能不是理想的選擇，因為絕緣性能可能會惡化, 導致潛在的導電.
• 高頻時阻抗不穩定
FR4 的另一個限制是它無法在高頻設計中保持穩定的阻抗. 介電常數 (DK) FR4 的長度和寬度可能會有所不同, 而它也會受到溫度變化的影響. 這些變化會影響訊號完整性, 使得 FR4 不太適合高頻應用.
• 訊號損失注意事項
FR4 PCB 具有相對較高的損耗因數 (DF), 隨著頻率的增加而增加. Df 越高，整體訊號損失越大. 雖然在非高頻情況下一定程度的訊號損失可能是可以接受的, 它可能成為高頻設計中的重要議題. 在訊號損失至關重要的應用中, 替代高頻層壓板可能比 FR4 更合適.
選擇正確的 FR4 材料厚度 您的 FR4 PCB
而印刷電路板的厚度 (印刷電路板) 可能看起來是個微不足道的因素, 它可以顯著影響整個電路板的功能. 在確定每個單獨設計的最佳厚度時，必須仔細評估幾個關鍵方面. 以下是一些關鍵考慮因素:
連接器相容性:
在某些情況下, 兩個 PCB 需要連接在一起或使用邊緣連接器連接到匹配的插座. 然而, 這些連接器的尺寸有限, 僅適用於特定 PCB 厚度. 不考慮這種相容性可能會導致相容性問題, 使板厚成為潛在的限制因素, 特別是在重新設計或與現有系統整合時.
組件要求:
FR4 PCB 的厚度會影響可使用的組件類型. 例如, 通孔技術 (THT) 與其他元件類型相比，元件可能需要更薄的 PCB. 確保 PCB 厚度和預期組件之間的兼容性對於正確組裝和功能至關重要.
空間限制:
在緊湊型設備中, 空間往往非常寶貴. 在這種情況下, 更薄的 PCB 可能是一個有效的解決方案, 允許更緊湊的設計和有效利用可用空間. 然而, 值得注意的是，較薄的板子可能會降低結構完整性，並且需要額外考慮耐用性.
設計靈活性和機械穩定性:
雖然更薄的 PCB 具有節省空間的優勢, 較厚的板通常提供更大的機械穩定性和設計靈活性. 例如, 較厚的板可以容納 V 形槽等功能, 這對於某些應用程式可能是必需的. 此外, 較厚的電路板在組件焊接等組裝過程中不易變形或彎曲.
受控阻抗:
適用於需要控制阻抗的高頻或高速應用, FR4材料的厚度起著至關重要的作用. 優化的厚度有助於穩定的介電常數 (直徑) 並最小化介電常數的熱係數 (TCDK), 這對於實現受控阻抗和確保訊號完整性至關重要.
FR4 PCB: 何時使用以及何時避免使用
儘管FR-4是一種廣泛使用且具有成本效益的印刷電路板基材, 在某些特定屬性或效能要求至關重要的情況下，它可能不是理想的選擇.
何時使用 FR4 PCB:
通用應用程式: FR4 PCB 非常適合各種通用電子設備, 例如消費性電子產品, 電腦, 電信設備, 和工業控制系統, 操作條件不極端的地方.
成本敏感型項目: FR4 PCB 為成本敏感型專案提供經濟的解決方案, 使它們成為不需要專用或高性能材料的應用的有吸引力的選擇. 中等溫度環境: FR4 PCB 可承受中等溫度, 通常高達 130°C (266°F), 使它們適合工作溫度在此範圍內的應用.
中低頻率應用: FR4 PCB 在中低頻率應用中表現良好, 訊號完整性要求不嚴格的地方, 受控阻抗不是關鍵因素.
原型設計與開發: 由於其廣泛的可用性和成本效益, FR4 PCB 通常用於原型設計和開發目的，然後再過渡到更專業的材料進行最終生產.
何時避免使用 FR4 PCB:
高溫環境: FR4 PCB 可能不適合長時間暴露在高溫下的應用, 例如航空航天或汽車應用, 工作溫度可能超出材料的限制.
高頻或高速設計: 適用於需要精確訊號完整性和受控阻抗的高頻或高速應用, Rogers 或聚醯亞胺等替代材料可能比 FR4 PCB 更合適.
惡劣的化學環境: 雖然 FR4 PCB 具有良好的耐化學性, 對於涉及接觸腐蝕性化學物質或溶劑的應用，它們可能不是最佳選擇, 哪裡更適合使用耐化學腐蝕的材料.
極端機械應力: 在涉及嚴重機械應力的應用中, 例如振動或衝擊, 金屬芯 PCB 或專用層壓板等更堅固的材料可能比 FR4 PCB 更適合.
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