馴服吉赫茲級訊號：高頻電路板選材與射頻設計DFM核心準則
1 分鐘
- 一、高頻訊號在傳輸線中的傳播特性與設計挑戰
- 二、高頻板材選型實務：PTFE基材與羅傑斯陶瓷基材對比
- 三、射頻PCB佈局的阻抗連續性與DFM設計規範
- 結語
隨著5G-Advanced、Wi-Fi 7與車載77GHz/79GHz毫米波雷達陸續進入大規模商用，電子硬體的工作頻率已全面步入吉赫茲乃至微波頻段。在這類高頻傳輸場景下，消費電子常用的FR-4基材，會因為介質損耗偏高、介電常數穩定性不足，成為訊號衰減的主要來源。
對射頻工程師來說，高頻PCB設計早已脫離傳統「走線導通即可」的基本要求，每一段走線本質上都是帶有分佈參數的電磁波導結構。要讓訊號穿過複雜的封裝結構與過孔後，仍維持良好的眼圖與訊號完整性，從基材本身的物理特性到板上佈局的幾何細節，每一環節都不能馬虎。
一、高頻訊號在傳輸線中的傳播特性與設計挑戰
談具體製程與設計規範前，得先建立高頻電磁波在電路板介質中傳遞的物理模型。當訊號頻率突破1GHz後，傳輸線的總衰減量（Total Attenuation, α）主要由兩種機制決定：
其中αc為導體損耗，αd為介質損耗。
1. 趨膚效應帶來的導體損耗
高頻交流環境下，導線內的電流不會均勻分佈在整個導體截面，而是會集中在導體表面極薄的一層；頻率越高，這個趨膚深度就越淺。
這時候銅箔的表面粗糙度就會對訊號產生顯著影響。一旦銅箔表面的微觀起伏幅度超過趨膚深度，電磁波沿著凹凸結構傳遞的路徑會被拉長，直接造成導體等效電阻上升，訊號衰減加劇。
2. 介質極化造成的能量散失
高頻交變電場會驅動介質內部的偶極子不斷翻轉排列，過程中分子間的摩擦會將電磁能轉化為熱能散失。這類能量損耗的大小，核心取決於材料的損耗因數（Df）。普通FR-4的Df約在0.02等級，而專用微波PCB基材的Df通常要壓在0.002以下，部分毫米波場景甚至要求低至0.0009。
二、高頻板材選型實務：PTFE基材與羅傑斯陶瓷基材對比
要在高頻下穩定傳輸波速、壓低傳輸損耗，射頻設計初期就必須跳開常規板材，選用高階專用基材。目前市場上最主流的兩類高頻板材，分別是以聚四氟乙烯（鐵氟龍）為基礎的PTFE基材，以及羅傑斯為代表的陶瓷填充碳氫化合物基材。
實際專案中為了同時兼顧射頻性能與成本控制，業界普遍採用混壓架構：只在承載高頻高速訊號的頂層兩層使用高階板材，底層的電源層與低速控制訊號層則維持常規FR-4。這種設計既能滿足高頻電路的電氣要求，又能有效壓低整體板材成本，是目前最主流的實務方案。
圖1. 高頻板材對比示意圖
三、射頻PCB佈局的阻抗連續性與DFM設計規範
選對板材只是高頻設計的基礎，若是佈線階段破壞了傳輸線的阻抗連續性，同樣會引發嚴重的訊號反射，甚至導致電路自激。進行微波電路佈局時，以下幾項DFM設計準則必須嚴格遵守：
1. 傳輸線走線與拐角處理原則
高頻微帶線與帶狀線佈線時，應避免使用90°直角拐角。直角結構會讓拐角處的等效線寬突然增加，造成局部寄生電容突變，進而破壞50Ω或100Ω的阻抗連續性。
實務上多採用弧形走線，或是45°斜切拐角的方式處理；斜切的尺寸比例需依據基材厚度與線寬精算，確保轉彎處的波導等效截面保持一致，維持阻抗平穩。
2. 過孔寄生效應與Stub殘留處理
過孔是高頻傳輸中阻抗不連續的主要來源之一，貫通多層的通孔會引入明顯的寄生電感與電容。其中影響最大的是過孔多餘的Stub殘留段，這段結構等同於一個小型開路諧振腔，在高頻下會對特定頻段的訊號產生強烈的吸收與反射。
對應的解決方案，是在製程中導入背鑽工藝去除多餘的Stub，或是直接採用盲埋孔設計，從根源上消除Stub殘留。此外，高頻訊號過孔周圍需對稱佈置接地過孔，形成類同軸的屏蔽結構，避免射頻能量向外輻射，造成EMI問題。
3. 阻焊層對高頻走線的影響與優化方式
常見阻焊油墨的Dk約在3.5~4.0之間，Df也遠高於高頻專用基材。若將阻焊油墨直接覆蓋在高速微帶線上，會讓傳輸線阻抗降低2~4Ω，同時增加額外的介質損耗。
因此針對GHz級的關鍵射頻走線，一般會在設計時做阻焊開窗處理，讓走線直接裸露在空氣中；利用空氣Dk=1的特性，確保介質均勻性，同時將插入損耗降到最低。
結語
一塊性能達標的高頻PCB，離不開設計、材料與製程三者的緊密配合。工程師不能只依賴EDA軟體的模擬結果，必須在設計初期就與具備特殊板材加工能力的板廠展開DFM溝通。充分確認板廠對PTFE板材的壓合尺寸補償精度、混壓板的CTE匹配能力，以及背鑽工藝的深度公差，才能把模擬端的理想阻抗曲線，轉化為產線上高良率的量產產品。隨著高頻與微波技術持續進步，唯有做到微米級的精細製程管控，才能為高速硬體系統的電氣性能提供可靠保障。
持續學習
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背鑽導孔：提升高速 PCB 中的訊號完整性
重點摘要 背鑽過孔可從鍍通孔中移除未使用的銅質孔樁，將殘留孔樁縮短至 0.15 mm（6 mil）以下。這能消除 5–10 Gbps 以上高速訊號中的阻抗不連續、反射與諧振問題。背鑽能帶來更佳的回波損耗、插入損耗、更低抖動與更清晰的眼圖，同時仍可保留簡單堆疊結構，成本也遠低於盲孔／埋孔。對任何孔樁長度超過 15 mil（0.381 mm）的設計，尤其是板厚超過 1.2 mm 的電路板，都應考慮使用背鑽，以確保 PCIe、5G 與 25G+ 設計中的可靠性能。 在 10 Gbps 及以上的高速 PCB 設計中，過孔孔樁會產生阻抗不連續，並透過反射與諧振劣化訊號品質。背鑽過孔透過在初始電鍍後，以機械方式移除未使用的銅質孔壁，只保留真正需要的電氣導通路徑，從而解決這個問題。這項製程可恢復傳輸線連續性，而不需要改變層疊結構或走線幾何。工程師會在製造說明中指定背鑽過孔，以在 5G、PCIe 與 SerDes 等多層板應用中獲得更乾淨的眼圖、更低抖動與可靠性能。 高速 PCB 需求持續成長 訊號傳輸面臨的挑戰 5 GHz 以上的高速訊號會將鍍通孔視為一段短傳輸線。當過孔只連接內層時，未使用的部分——也就是孔樁......
PCB 天線設計：類型、原理與最佳實踐
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