FR-4 與 Rogers：您應該選擇哪種 PCB 材料？

傳統上，製造商一直使用具備耐熱特性且生產成本較低的材料來製造 PCB。隨著電子產業在高頻應用方面的需求日益增長，僅靠 FR-4 已不足以應付。某些設備雖然不一定會處於極端溫度下，但可能必須在射頻下運作。根據射頻所要求的極端效能條件，必須使用如 羅傑斯等專門材料，才能發揮 PCB 的最佳功能。請參閱我們近期關於 PCB 設計中不同類型導通孔的文章。Rogers 廣泛的 PCB 材料組合使其能夠應用於多種領域，包括：

• 5G NR 毫米波天線

• 衛星通訊

• 雷達系統

• 車用感測器

• 航太航空電子設備

• 高速資料通訊

• 測試儀器

讓我們來探討為何 Rogers PCB 材料是這些尖端電子領域的優質解決方案。

什麼是 FR-4：

FR-4 是一種熱固性玻璃纖維強化環氧樹脂複合材料。它是大多數 PCB 的傳統基礎材料，也是『等級 4 阻燃』（Flame Retardant Level 4）的縮寫。作為一種由環氧樹脂和玻璃纖維製成的複合材料，製造商將其加工成片狀，並在其中一側或兩側壓合銅箔。

FR-4 的關鍵特性與特徵：

低成本：FR-4 是最經濟的 PCB 基板材料之一。

適中的介電常數：1 MHz 時約為 4.5。

適中的損耗正切：1 MHz 時約為 0.02。

然而，由於介電損耗，FR-4 在高頻下會受到效能限制，使其不適合許多射頻應用。其相對較高且不穩定的介電常數與損耗正切，也使得 FR-4 成為精密類比電路和高速數位電路的不良選擇。

什麼是 Rogers：

與 FR-4 不同，Rogers 基板材料提供不同的成分。其中一些使用陶瓷基底而非玻璃纖維。Rogers 提供多種成分組合，例如由碳氫化合物強化的編織玻璃，其電氣效能非常接近聚四氟乙烯（PTFE）。

Rogers 材料的一些關鍵特性：

穩定的介電常數：受到嚴格控制，依材料不同在 2.9 至 10.2 範圍內波動。

低損耗正切：10 GHz 時約為 0.0009 至 0.002。

優異的高頻效能：在毫米波頻率下仍具備低訊號損耗。

低熱膨脹：與銅的膨脹係數相匹配，提升可靠度。

精確的介電特性、與銅的高度匹配以及低損耗，使 Rogers 成為效能導向的微波、電信、航太和高可靠度應用的理想選擇。然而，由於特殊的材料成分，Rogers 的單位面積成本比 FR-4 高出 5 到 10 倍。

Rogers PCB 材料的類型：

Rogers 針對不同應用製造各種類型的 PCB 材料。這些包括：

FR-4 與 Rogers 材料的 7 大差異：

1. 運作頻率

一般 FR-4 板與 Rogers 材料板之間的主要差異在於其應用領域。FR-4 製造的 PCB 僅能在特定的頻率範圍內正常運作。另一方面，使用 Rogers 材料的 PCB 可以在更廣泛的頻率範圍內運作。例如，雖然 FR-4 PCB 幾乎難以達到 10 MHz，但 Rogers PCB 在遠超過 500 MHz 的應用中仍表現出色。

2. 材料硬度

FR-4 和 Rogers 材料在材料硬度上有實質的差異。FR-4 主要由環氧樹脂組成，硬度相當高。另一方面，Rogers 材料由於是碳氫化合物，相對較軟。

3. 加工技術

儘管 Rogers 材料專為高頻運作而設計，但它們與 PTFE 微波 PCB 材料不同。Rogers 系列材料不需要任何特殊處理（例如針對貫通孔加工的特殊處理），也不需要額外的技術流程。

FR-4 材料是環氧玻璃布層壓板，具有穩定的電絕緣性、平滑的表面、良好的平整度且無凹點。它適用於需要良好電絕緣性的產品。此材料也適合作為 PCB 鑽孔墊板、FPC 加強板、行星齒輪、測試板、馬達絕緣體等用途。

4. 成本

成本是電子設備的重要因素。客戶尋求的是具有最佳性價比的 PCB。雖然使用 FR-4 製造電路板可以節省成本，但該材料僅適用於低頻和中等溫度環境下的產品。另一方面，對於需要高速運作或高溫的應用，即使價格昂貴，使用 Rogers 材料也會更合適。

5. 阻抗穩定性

FR-4 材料的最大介電常數為 4.5。相比之下，Rogers 材料的介電常數約為 2.2 至 12.85。Rogers 材料較高的介電常數有助於實現高阻抗穩定性。

6. 熱效能

對於在高速下運行的應用，PCB 必須具備更好的熱容量，以防止過熱並導致運行問題。Rogers PCB 具有較高的熱效能，在高溫和高速應用中的表現優於 FR-4。

7. 訊號完整性

Rogers PCB 材料的損耗因數為 0.004%。相比之下，FR-4 材料的損耗因數為 0.02%。Rogers PCB 材料顯著較低的損耗因數有助於實質性地降低訊號損耗，進而提升訊號完整性。

結論：

我們對一般的 FR-4 與 Rogers PCB 材料進行了全面比較，並說明了如何為應用選擇最合適的材料。Rogers PCB 材料的優點在於不需要特殊的 PCB 製造製程。在合適的情況下，設計人員可以僅在處理高頻的層次使用 Rogers 材料，而在其他層次使用 FR-4，藉此抵消 Rogers 材料較高的成本。

對於涉及無線電和微波頻率、行動網路和太空技術的印刷電路板製造，Rogers PCB 材料提供了優於其他任何類型材料（包括 FR-4）的絕佳效能。雖然與其他材料相比價格較貴，但當印刷電路板必須在惡劣環境、高頻以及高可靠度要求下運作時，Rogers PCB 材料絕對值得這些額外成本。」