FR4：什么时候可以使用，什么时候不可以

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什么是FR4基材？

FR-4如何用于PCB？

如何选择FR4厚度

何时使用 FR4

温度管理

做出选择：FR4 与高频层压板

大多数涉及印刷电路板的电气工程师和个人都熟悉材料 FR4。 FR4 是构建大多数刚性电路板的主干材料。然而，很多人不知道 FR4 是什么，更不用说为什么它是最受欢迎的 PCB 基板了。

继续阅读以了解有关 FR4 印刷电路板的更多信息，例如它们是什么、为什么它们如此受欢迎以及 FR4 PCB 规格与业内其他选项相比有何不同。

什么是 FR4 基板材料？

FR4，也写作FR-4，既是一个名字，也是一个标准等级。该名称适用于印刷电路板制造中使用的玻璃纤维增​​强环氧树脂层压板。但是，该名称也可用作对环氧树脂层压板进行评级的等级。该名称基本上表明层压板的基本质量，这意味着各种板材和设计都属于 FR4 等级。名称中的“FR”代表阻燃，而4区别于同类材料。

被广泛称为FR4的材料是一种复合结构。该材料的最基本层是编织成薄的布状片材的玻璃纤维。玻璃纤维赋予 FR4 必要的结构稳定性。然后，这个最里面的玻璃纤维层被阻燃环氧树脂包围和粘合。这种树脂赋予了材料刚性以及其他物理特性。

FR4 板材作为 PCB 基材在电气工程师和设计师中广受欢迎。这种材料的低成本和多功能性，以及其丰富的有益物理特性，是这种受欢迎程度的原因。 FR4 片材是具有高介电强度的电绝缘体。它们还具有高强度重量比，重量轻且耐潮。再加上它们的相对耐温性，FR4 材料在大多数环境条件下都能表现良好。

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FR-4 如何在 PCB 中使用？

这些品质使 FR4 成为优质 PCB 制造工艺的理想默认基板材料。如果使用得当，这些特性也可以构成高质量和低成本PCB的基础。

在 PCB 中，FR4 构成主要的绝缘主干。这是制造公司构建电路的基础。准备好后，FR4 板使用热和粘合剂与一层或多层铜箔层压。这种铜形成成品中的电路，并可能覆盖一侧或两侧，具体取决于电路板的设计。

复杂的 PCB 可能会使用不止一面，甚至将电路板分层以生产更复杂的电路。从这里开始，在覆盖阻焊层之前绘制和蚀刻电路，为最终的丝印层和随后的焊接工艺准备电路板。

如何选择FR4厚度

在为 PCB 项目订购层压板时，设计师或电气工程师必须指定 FR4 厚度。这以英寸为单位进行测量，例如千分之一英寸、千分之一或毫米，具体取决于哪个最适合设置。一块 FR4 的厚度范围很广，取决于项目的需要，但通常从十英寸到三英寸不等。

虽然电路板厚度似乎不是 PCB 设计中的一个重要因素，但实际上，它是一个基本特征。电路板厚度会影响电路板功能的几个方面，这就是为什么在确定设计电路板厚度时要考虑几个因素的原因。其中包括以下内容。

1.空间：越薄越好

如果设计人员关心空间，则更倾向于使用更薄的 FR4 板。这是制造小型设备（如 USB 连接器和许多蓝牙配件）的主要因素。即使对于较大的项目，也倾向于使用较小的 FR4 PCB，以节省设备内的空间。

2。连接：错误的连接可能导致损坏

双面 PCB 设计需要一个边缘连接器来连接两侧。这可能是 PCB 最终尺寸的主要限制因素，因为 PCB 边缘连接器仅适合特定的一组 PCB 厚度。连接器的配合部分必须紧贴在 PCB 的侧面，否则有滑动或损坏 PCB 的风险。这是在选择电路材料之前先进行电路设计的主要原因之一。

3.阻抗匹配：维持电路板功能的必要条件

每个多层板都充当相邻层的电容器。这就是为什么这块板的厚度如此重要的原因——PCB FR4材料的厚度决定了电介质的厚度，进而影响电容的值。

对于某些高频 PCB，例如射频和微波设计，这是一个特别关键的因素。高频设计将阻抗匹配作为保持最佳电路板功能的重要组成部分，因此为每一层选择合适的电容至关重要。

4.灵活性：取决于应用程序

较薄的电路板可以在一定程度上弯曲。虽然是一种不寻常的特性，但灵活性可能是一个积极或消极的特征，具体取决于应用程序。

在产品经常受压或弯曲的某些应用中，更灵活的板往往更受欢迎。例如，那些使用医疗和汽车应用电路板的人通常更喜欢柔性电路板，因为这些 PCB 经常承受恒定的应力和弯曲。

但是，灵活性可能会损害 PCB 制造过程，从而导致后期组装出现严重问题。当由机器处理时，更灵活的电路板在由焊接机处理时可能会弯曲，导致元件以一定角度焊接。此外，这种弯曲可能会破坏板上新放置的组件和连接。

5.设计要求：预期用途影响 FR4 厚度

并非在所有情况下都首选薄板，这主要是由于薄板对 PCB 计划的限制。薄的 FR4 板不可能有凹槽，而且它们不能太大而不会有断裂的风险。然而，较厚的电路板可以同时实现这两者。在称量 FR4 厚度之间的选项时，请始终考虑到这一点。

6.组件兼容性：可能适用于小范围

电路板的厚度也会影响组件与电路板的兼容性。就像边缘连接器一样，许多组件适用于小范围的板厚。例如，对于某些通孔组件尤其如此。

7.重量：较轻的产品可能更具吸引力

从逻辑上讲，FR4 的厚度会影响最终 PCB 的重量。虽然重量在某些应用中不是问题，但在消费电子产品中通常是一个考虑因素。更轻的 PCB 制造出更轻的产品，这使得它们的运输成本更低，并且在某些情况下对消费者更具吸引力。

何时使用 FR4

许多电子应用选择使用基于环氧树脂的 FR4 板。它们的强度、可靠性和相对较低的成本使 FR4 环氧树脂基板成为电子工程师的合理默认选择。然而，FR4 并非适用于所有情况，尤其是高频设计。对于这些设计，高频层压板往往是更常见的选择。

在这些材料之间进行选择可能很困难，这就是我们在下面列出更详细的指南的原因。

在尝试决定是使用 FR-4 还是高频层压板构建 PCB 时，请考虑各自的以下关键特性。

成本：FR4 会更便宜

FR4 材料是一种非常常见的 PCB 基板，主要是因为其成本相对较低。另一方面，高频层压板的价格要高得多，这对于关注成本的设计师和制造商来说是一个重大缺点。这是企业在 FR4 和高频层压板之间进行选择时的主要限制因素。

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信号损失：较低的 Df 导致较低的信号损失

在许多情况下，信号丢失是 PCB 设计的关键部分，尤其是在信号丢失更成问题的高频情况下。对于这些设计，FR4 不是理想的选择——FR4 比高频层压板具有更高的 Df 或耗散因数。这意味着 FR4 电路将比高频层压板上的相同电路遭受更多的信号损失。

FR4 的 Df 约为 0.020，而大多数高频层压板的 Df 约为 0.004，是 FR4 Df 的四分之一。 Df 越低，整体信号损失越少。另一个问题是 FR4 的 Df 随着信号频率的增加而增加，这意味着随着信号频率的增加，会发生更多的信号损失。由于高频层压板具有更稳定的 Df 特性，因此在较高频率下的损耗较小。

阻抗稳定性：Dk 稳定性很重要

稳定阻抗是许多设计的另一个重要因素，因为它通常意味着更可预测的性能，尤其是对于较大的电路或高频设计。同样在这个领域，FR4 和高频层压板提供了不同的结果。保持稳定的阻抗要求材料随着材料温度的变化在整个材料上保持稳定的 Dk 或介电常数。

在这方面，FR4 不是保持稳定阻抗的合适材料，因为它的 Dk 值在单个电路板内变化很大，并且随着电路板温度的变化而变化。高频层压板的 Dk 值变化不大，随着温度的变化，在整个电路板区域内保持相当恒定。

温度管理：

在为 PCB 基板选择 FR4 板或高频层压板时，温度性能是另一个需要考虑的因素。在比较温度性能时，介电常数的热系数提供了一个不错的衡量标准。这个数字衡量了材料的介电常数随温度变化的程度：

• 对于 FR4，该值约为每摄氏度温度变化百万分之 200
• 高频层压板的介电常数热系数约为每摄氏度百万分之 40。

尽管两者看起来都是很小的数字，但它们提供的结果却大相径庭。 FR4 的显着系数意味着 FR4 板的 Dk 在其区域内可能会有很大差异。相比之下，高频层压板的较低系数表明整个电路板区域的温度变化较小。在设计用于较热环境的电路板时，这一点尤为重要。

介电常数：选择合适的介电常数

有时，电路板的介电常数可能与电路板的任何其他特性一样重要。电路板的介电常数会影响电路传输线的大小，尤其是在射频或微波设计等高频电路中。传输线越小，电路本身就越小。

因此，如果需要更小的电路板尺寸，具有较高Dk值的板材料是最佳选择。 FR4 的介电常数约为 4.5，低于高频材料的 Dk，后者通常在 6.15 到 11 左右。使用这些高值 Dk 材料可以产生显着的效果，将尺寸减少 25% 或更多最终电路板。

运行环境：

在 FR4 和高频层压板之间进行选择时，还要记住电路的操作环境。这包括环境条件，如湿度和温度。在这两种情况下，高频层压板都比 FR4 提供更高的防潮和耐热性，这意味着工作环境对电路功能的影响将大大降低。如果 PCB 将在户外或极端工业环境中运行，这是一个关键的考虑因素。

简而言之，高频层压板具有广泛的物理特性，其中许多优于FR4。高频层压板与 FR4 相比的唯一缺点是成本相对较高，这对于注重成本的设计人员来说是一个重要因素。那么，当高频层压板的优势超过成本时，才是最重要的决定。

做出选择：FR4 与高频层压板

那么，使用上面列出的所有信息，电气工程师或 PCB 设计师如何在 FR4 和高频层压板之间进行选择？首先，设计人员必须列出并比较最终 PCB 的电气和机械要求，尽可能使用最具体的参数。然后，与设计用于处理高频信号的层压板相比，设计人员必须检查 FR4 满足这些参数的程度。使用行业数据表可以轻松获得上述每个点的更精确数据。

简而言之，FR4 是一种广泛相关的材料，主要因其低成本和相对的机械和电气稳定性而广受欢迎。虽然 FR4 材料具有广泛的优势，并且有多种厚度和尺寸可供选择，但它并不是所有应用的最佳选择，尤其是射频和微波设计等高频应用。在后一种情况下，高频层压板是更好的选择。不过，很容易看出为什么 FR4 至今仍然如此普遍。

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