大多數工程師認為在PCB上增加層數只是在較小的空間內塞進更多的線路。這是錯誤的。從雙層板到四層板的轉變會改變整個電路的電氣特性。你會得到一些專用的屏蔽層。這比原型機之間20美元的價格差異重要得多。

什麼是標準4層PCB疊層結構？

這裡有個沒人會事先告訴你的事實：四層電路板的層疊方式並非隨意。你不能隨意堆疊銅片，還指望它能有良好的性能。

標準結構遵循以下三明治式結構： 

頂層訊號層 → 預浸料 → 接地層 → 芯層 → 電源層 → 預浸料 → 底層訊號層。

第一層（上層）

 你的主要訊號層。元件都安裝在這裡，走線也在這裡。大部分佈線都在這裡進行，因為你需要連接到元件焊盤。

第2層內層

 接地層。整層銅箔都連接到接地線 (GND)。為什麼要專門用一層銅箔接地呢？因為高頻訊號需要在其正下方建立可靠的回流路徑。當訊號在第一層傳輸時，回流電流會直接流經其下方的第二層。這樣就形成了一個很小的迴路，在電磁幹擾 (EMI) 問題出現之前就將其消除。

 你可能看過這樣的設計：工程師嘗試用接地網格來取代平面。結果慘不忍睹。訊號完整性問題導致他們必須修改三次電路板。

第3層內層

電源層。通常連接到主電源軌，無論是 3.3V、5V 還是 12V，都取決於您的設計。此層以最小的阻抗將電源分配到整個電路板。這樣，每個 IC 都能獲得穩定的電壓，而無需佔用過多的電源走線空間。有些設計會將該層拆分為多個電壓，例如 3.3V 和 5V。只要保持適當的間距，這種拆分方式也能正常運作。

第四層底部

 二級訊號層。當第一層已滿或需要繞過 BGA 扇出時，即可在此處佈線。底層還包含連接器和測試點。

芯材位於中間。這是您所需的剛性FR-4基材，在標準的1.6毫米厚板材中通常為1.0毫米厚。預浸料層起到黏合劑的作用。這些半固化的玻璃纖維薄片在層壓過程中，透過加熱和加壓，將所有部件粘合在一起，形成固態介電材料。

現在，一些廠商推崇訊號-地-電源-訊號（Signal-Ground-Power-Signal）架構作為替代方案。從技術上講，這種架構確實可行。但對於混合訊號設計而言，標準的訊號-接地-電源-訊號（Signal-Ground-Power-Signal）架構性能較佳，因為兩個訊號層都緊鄰參考平面，從而縮小了電磁迴路。

關於這種疊層結構還有一點要注意：對稱性對製造過程至關重要。如果將所有銅箔都放在一側，電路板在回流焊接過程中會發生翹曲。 Type 1 佈局實現了銅箔從上到下的均衡分佈，從而防止了組裝過程中的彎曲。 

四層PCB與兩層PCB：為什麼要升級？

你設計了一款雙層電路板。它在測試台上運作正常。然後你生產了500個單元，結果它們沒通過電磁相容性測試。聽起來是不是很熟悉？

信號完整性

 高速訊號在雙層板上表現不佳。當在雙層板上運行 100MHz SPI 匯流排或 USB 2.0 差分對時，回流電流必須透過你提供的接地路徑返回。通常，這意味著電流需要經過漫長而曲折的接地走線。這會形成一個大型環形天線，輻射噪音並產生幹擾。 

在四層電路板上，回流電流直接流經訊號走線下方的接地層。迴路面積縮小到幾乎可以忽略不計。示波器上的訊號眼圖清晰可見。

EMI屏蔽

這些內部的接地層和電源層就像屏蔽層一樣，它們能將電磁場限制在層間，而不是讓電磁場輻射到太空中。你應該在雙層板和四層板上測試相同的電路。通常情況下，四層板的輻射發射性能會比雙層板好 15-20dB。這正是通過或不透過 FCC Part 15 B 類限制的關鍵。

密度

這樣一來，電路板就有了四層佈線層，而不是兩層。顯然，這可以縮小電路板的尺寸。但真正的優勢在於可以避免使用間距為 0.5mm 的 BGA 或 QFN 封裝等高密度元件。在雙層電路板上，佈線僅限於焊盤之間。而在四層電路板上，可以透過沖孔並直接連接到內層，以避免佈線雜亂無章。

 一個需要 80mm × 60mm 雙層板的設計，通常可以用 60mm × 45mm 的四層板實現。這種板面積的減少，在批量生產數千塊板時，可以抵消單塊板的更高成本。

熱管理

銅的導熱性能比FR-4好200倍。內部銅層能將熱量分散到整個電路板上，而不是集中在穩壓器或MOSFET下方。對於輸出電流3A或以上的電源來說，這一點至關重要。有時，透過使用導熱過孔連接到內部銅層，就可以省去散熱片。例如，在設計一個12V電源時，我將熱量散發到第三層而不是用螺栓固定鋁製散熱片，節省了1.5美元的物料清單成本。

成本差異體現在哪裡？大多數中國晶圓廠的四層板原型製作成本比雙層板高出每塊15-30美元。大量生產（1000塊以上）的成本可能每塊板增加2-4美元。然而，一次失敗的EMC測試，光是複測費用就高達3000-5000美元。算算帳吧。

關鍵設計規範與材料選擇

FR-4是標準材料，毋庸置疑。大約95%的四層板都使用FR-4，因為它的成本只有特殊材料成本的十分之一。

你會看到FR-4材料標示不同的玻璃化轉變溫度（Tg）：TG130、TG150、TG170。這是材料軟化的玻璃化轉變溫度。標準的TG130-140適用於消費性產品。而對於安裝在高溫外殼或引擎附近的汽車或工業設備，則需要TG170。高Tg值會使成本增加15-20%，但它能確保在130°C的環境溫度下（而非僅105°C）的可靠性。

Rogers 材質適用於 1GHz 以上的射頻設計。 Rogers 4350B 的價格大約是 FR-4 的 8-12 倍。當需要對微帶天線或阻抗要求嚴格的傳輸線進行嚴格的介電常數控制時，可以使用這種材料。 

板厚

標準厚度為 1.6 毫米。這種厚度適用於標準 PCB 插槽，並能為手工組裝提供良好的機械剛性。您可以訂購 0.8 毫米（適用於穿戴式裝置等超薄設備）、1.0 毫米（適用於對成本要求較高的設計）或 2.0 毫米（適用於大電流電源板）。但請注意，厚度小於 1.6 毫米會導致電路板在組裝過程中更容易彎曲，這可能會導致大型元件的焊點開裂。

銅重量

外層通常使用 1 盎司銅。這樣在合理的走線寬度下，每條走線可以承受 3-4 安培的電流。內部電源層和接地層通常也採用 1 盎司銅，但有些製造商為了節省成本，內層銅的用量預設為 0.5 盎司。請在報價單上留意這一點。 

對於電流超過 10A 的大電流設計，您可以訂購 2 盎司甚至 3 盎司的銅，但這會增加成本，並限制您的最小走線寬度，因為較厚的銅更難蝕刻精細特徵。

阻抗控制

這就是四層板的優勢。 USB、乙太網路、HDMI 或 DDR 記憶體都需要可控阻抗。計算器會根據您的疊層結構計算出走線寬度。在四層板上，一條典型的 50Ω 微帶線，採用 1 盎司銅和 10mil 介質層間距，其寬度約為 12-15mil。製造商會額外收取 50-150 美元的阻抗控制費用，因為他們需要測試樣品並驗證結果。

如果你想控制阻抗，就需要向晶圓廠提供疊層結構規格。只告訴他們你需要 50 歐姆的阻抗，卻不定義介質層厚度和介電常數（Er 值），他們就只能靠猜測。很多時候，他們的猜測都是錯的。

製造能力

你的設計好壞取決於晶圓廠的實際生產能力。以下是到 2026 年，中國優秀晶圓廠的標準四層晶圓生產能力：

最低痕跡

 大多數店鋪都能以較低的價格實現 4mil/4mil 的佈線間距。這種間距可讓你在 0.5mm 間距的 BGA 焊盤之間進行佈線。你可以嘗試 3mil/3mil 甚至 2.5mil/2.5mil 的間距，但需要額外付費並延長交貨時間。對於大多數設計而言，5mil/5mil 或 6mil/6mil 的間距已經足夠，並且可以有效降低成本。

最小孔徑

 機械鑽孔的最小孔徑為 0.2 毫米。較小的孔徑需要雷射鑽孔，這將使過孔成本增加三倍。標準過孔採用 0.3 毫米的孔徑和 0.6 毫米的焊盤。這種過孔價格低廉且可靠。

表面處理

 HASL製程成本最低，但表面不平整，會對間距小於0.5mm的細間距元件造成問題。 ENIG製程會增加15-25美元的原型製作成本，但能提供平整、抗氧化的表面，保存期限可達12個月以上。 

ENIG 適用於所有採用 QFN 或 BGA 封裝的裝置。 OSP 的價格和保質期都處於中等水平，保質期為 6 個月。浸銀鍍膜的性能與 ENIG 類似，價格略低，但氧化速度更快。

阻焊層顏色

 綠色是標準色，而且免費。黑色看起來比較專業，但由於遮光罩下的線路無法直接看到，所以會增加檢查難度。白色非常適合LED板，因為它能反射光線。藍色和紅色只是美觀的選擇，會使原型成本增加10-20美元。霧面黑目前在消費品領域很流行，但成本更高。

盲孔和埋孔

 大多數四層封裝設計都採用貫穿式標準通孔。盲孔或埋孔雖然可以實現更密集的佈線，但會顯著增加成本，價格通常會高出 3-5 倍。除非萬不得已，否則應盡量避免使用盲孔或埋孔，因為 0.4mm BGA 封裝是絕對無法避免的。

四層PCB的主要應用

在現代電子產品中，到處都能看到四層電路板。

電源供應器

 功率超過 15W 的開關電源幾乎都採用四層結構。接地層可以降低開關噪聲，而電源層則可以分配大電流而無需使用粗大的走線。我們曾經設計過一款基於雙層板的 80W LED 驅動器。雖然它能正常工作，但輻射噪音過大，甚至幹擾了客戶工廠的 AM 收音機。

消費類電子產品

 智慧家庭設備、WiFi路由器、藍牙音箱以及任何具有無線連接功能的設備都需要採用四層結構才能通過FCC測試。僅天線性能一項就足以證明其成本合理，因為接地平面的位置直接影響輻射模式和效率。

汽車控制器

汽車電子產品面臨嚴苛的電磁幹擾環境，包括交流發電機雜訊、點火尖峰和馬達換向幹擾。採用四層電路板並配備適當的接地層可以抵禦這種電磁幹擾。此外，汽車溫度規格要求使用TG170材料，其工作溫度範圍為-40°C至+125°C。

工業控制

PLC馬達驅動器和工業人機介面 (HMI) 通常使用四層電路板來增強抗雜訊能力。當在工廠中將設備安裝在變頻器 (VFD) 和焊接機附近時，則需要盡可能全面的屏蔽。

LED驅動器

高功率LED驅動器受益於內部銅層的散熱作用。採用四層結構的50W LED驅動器可透過第三層散熱，與兩層結構相比，熱點溫度可降低15-20°C。

如何降低四層PCB的價格

原型定價常常讓人感到不安。你看到五塊板子報價180美元，就會擔心量產會不會讓你破產。其實不會。

數量

從中國工廠訂購五塊原型板的價格在 100 到 200 美元之間，具體取決於尺寸和功能。但 100 塊板的總成本可能在 300 到 400 美元之間。前期投入成本可以攤提。當產量達到 1000 塊時，對於標準的 100mm × 100mm 設計，每塊板的成本約為 3 到 6 美元。不要僅憑原型報價就做出生產決策。

威盛科技

 通孔成本幾乎為零。盲孔或埋孔會使成本增加 3-5 倍，因為它們需要多次層壓製程。除非您正在設計手機或超小型穿戴設備，否則請堅持使用通孔。

板材尺寸和拼板

製造商通常使用標準尺寸的面板來生產PCB，例如18英寸×24英寸。如果您的電路板尺寸允許每個面板上放置多個電路板，並且材料浪費極少，那麼價格就會降低。例如，一塊95毫米×95毫米的電路板可以很好地利用每個面板，每個面板可以放置四個電路板。而一塊110毫米×87毫米的電路板則難以放置，並且會浪費材料。有時，僅將電路板尺寸縮小5毫米，就能透過提高面板利用率，使單位成本降低15%。

交期

 中國製造商的標準交貨週期為7-10天。加急服務費用是標準交貨週期的2-3倍。除非您急於參加展會，否則請選擇標準交貨週期。 

設計複雜性

 阻抗控制、小於 5mil 的細間距走線或 2oz 以上的厚銅線都會增加成本。如果您的設計符合標準規格，便於製造，報價就會保持在合理範圍內。

關於成本還有一點要注意：不要為了節省每塊板15美元而偷工減料，降低表面處理流程。一位客戶使用HASL工藝取代ENIG工藝，在200塊板上節省了200美元。結果，由於表面不平整導致回流焊接過程中0402電阻出現立柱效應，他們不得不返工30%的板子，花費了4000美元。 

摘要

四層PCB的成本高於雙層PCB，但可提供更佳的訊號完整性、EMI效能和佈線密度。標準疊層結構將接地層和電源層置於內部，訊號層則位於頂部和底部。這種結構能夠處理高速訊號，通過EMC測試，並允許更密集的元件佈局。上傳您的Gerber文件，即可在正式投產前獲得即時報價和DFM回饋。

關於我們 Wonderful PCB

Wonderful PCB 我們提供從工業設計、電子工程到四層PCB製造的全方位服務。我們與全球企業合作，在中國生產和組裝四層印刷電路板。

關於四層電路板的常見問題

我可以使用四層板進行高頻設計嗎？

標準的FR-4材料可以支援6GHz頻率。超過這個頻率，就需要使用羅傑斯或其他低損耗材料。關鍵在於控制介電常數並保持疊層結構的對稱性。對於2.4GHz Wi-Fi、藍牙或低於1GHz的ISM頻段設計，FR-4材質表現良好。我曾用FR-4材料製作GPS接收器，沒有遇到任何問題。

內部芯材的標準厚度是多少？

對於一塊1.6mm厚的成品板，芯材厚度通常為1.0mm。兩層預浸料各增加0.3mm。銅箔厚度約減少0.07mm。這樣，第一層和第二層之間大約有10-12mil的介質層，非常適合50Ω阻抗控制的走線。

如何匯出4層PCB的Gerber檔案？

您需要為每一層分別建立 Gerber 文件，以及鑽孔文件。匯出頂層銅箔、接地層、電源層、底層銅箔、頂層阻焊層、底層阻焊層、頂層絲網、底層絲網和電路板輪廓。新增通孔的 NC 鑽孔檔案。大多數現代 CAD 工具，例如 KiCad、Altium 和 EAGLE，都提供 4 層模板，可以正確匯出所有內容。製造商需要知道哪一層是接地層，哪一層是供電層。請提供疊層圖或註解文件，註明第 2 層 = GND，第 3 層 = VCC。