低 Df 材料：提升高速 PCB 訊號完整性
2 分鐘
- 瞭解 PCB 材料的損耗因數
- 如何量測損耗因數
- 損耗因數對 PCB 效能的影響
- 選擇低 Df 材料以獲得理想效能
- JLCPCB 的低 Df PCB 製造能力
- 損耗因數常見問題
- 結論
重點摘要
低 Df 材料是現代高速 PCB 的重要基礎，可在多 Gigabit 頻率下顯著降低介電損耗與訊號衰減。選用 Panasonic Megtron 6、Rogers 或 Isola 等低損耗因數基板，設計人員可獲得更清晰的眼圖、支援最高 112G 的資料傳輸速率，並維持更佳的訊號完整性；同時也可透過混合疊構策略平衡成本。能否選擇正確的低 Df 材料，往往會決定高速設計可順利通過相容性測試，或必須付出昂貴成本重新改板。
所有通過 PCB 的訊號都在悄悄損失能量，而原因就存在於基板本身。電路板材料的損耗因數越高，訊號在介電層中傳播時，就有越多電磁能量轉換為熱。在低頻下，這項影響可能不明顯；但當資料傳輸速率進入多 Gigabit 範圍，材料資料表上看似不起眼的 Df 數值，可能會決定設計得到清晰眼圖，還是無法通過相容性測試。
較高的損耗因數會大量消耗連線損耗預算，可能迫使設計縮短走線、增加等化處理，甚至重新改板。本文將深入說明損耗因數的意義、量測方式，以及低 Df 材料對現代高速與 高頻 PCB設計的重要性。我們也會討論實用材料選項、比較其特性，並介紹 JLCPCB 如何協助使用這些先進基板的工程師。
瞭解 PCB 材料的損耗因數
為高速設計選擇適當基板之前，必須先瞭解損耗因數的定義、它與介電常數的關係，以及為何在高頻下如此重要。
定義及其與介電常數的關係
損耗因數也稱為損耗角正切（tan δ），用來衡量交變電場通過介電材料時，有多少電磁能量被材料吸收並轉換為熱。以數學表示，它是複數介電率虛部與實部之比。
公式為：Df＝tan（δ）＝ε″／ε′
其中 ε′ 是介電率的實部，可用來得到介電常數 Dk；ε″ 則代表介電損耗。Df 越高，轉換為熱的能量越多，能以訊號形式傳播的能量就越少。介電常數（Dk）與損耗因數（Df）密切相關，但作用不同：Dk 控制訊號傳播速度與傳輸線阻抗，Df 則決定有多少訊號能量能抵達終點。可將 Dk 想像成公路的速限，而 Df 則是行駛過程中的燃料消耗量。
頻率越高，樹脂系統中的分子極化機制就越難跟上交變電場，介電損耗也往往隨之增加。因此，在 1 GHz 下可接受的材料，到了 10 GHz 或更高頻率時可能已不符合需求。
損耗因數如何影響高頻設計的訊號損耗
PCB 走線的訊號損耗主要來自兩項因素：導體損耗，也就是銅導體的電阻性損耗；以及介電損耗，也就是基板吸收的能量。在約 1 GHz 以下，導體損耗通常較為顯著；頻率提升至 1～2 GHz 以上後，介電損耗的重要性會逐漸增加，並可能成為整體插入損耗的主要來源。
介電材料對插入損耗的影響可近似表示為：
αd（dB/inch）＝2.3 × f × √Dk × Df／c
其中 f 是工作頻率（Hz），Dk 是介電常數，Df 是損耗因數，c 是光速。此關係顯示介電損耗與頻率及損耗因數成正比。從實際角度來看，若其他條件保持不變，工作頻率加倍時，單位長度的介電損耗也會約略加倍。
如何量測損耗因數
知道資料表上的 Df 數值是一回事，瞭解該數值如何取得，以及它對實際設計頻率代表什麼意義，同樣重要。
常見測試方法與標準
量測損耗因數有多種標準方法，各自適用於不同頻率範圍與精度要求。
平行板電容法：將基板試片置於兩個導電電極之間作為電容器，量測電容量與介電損耗，再計算 Dk 與 Df。此方法常用於相對較低的頻率（1 MHz～1 GHz），也經常出現在 PCB 材料資料表中。
帶狀線共振器法：使用待測基板製作帶狀線共振器，再量測結構的共振頻率與品質因數（Q 值），並據此萃取 Dk 與 Df。由於測試結構非常接近實際 PCB 傳輸線，結果通常能代表真實電路板的效能。
平衡圓盤共振器法：此方法的原理與帶狀線共振器類似，但採用圓盤共振器幾何結構。它在微波頻率下具有高準確度，廣泛用於高階 RF 與高速材料特性量測。
如何解讀不同應用的 Df 數值
閱讀資料表上的 Df 時，務必確認測試頻率。某種材料在 1 MHz 下標示 Df＝0.015，在 10 GHz 下可能變成 Df＝0.022。Df 的頻率相依性非常重要，卻經常被忽略。以下是 Df 範圍及其典型適用情境的實用分類：
| Df 範圍（10 GHz） | 材料等級 | 典型應用 |
|---|---|---|
| 0.020～0.025 | 標準損耗（FR4） | 2 Gbps 以下數位邏輯、電源供應器、IoT |
| 0.010～0.019 | 中等損耗 | PCIe Gen3、USB 3.0、SATA III、一般網路設備 |
| 0.005～0.009 | 低損耗 | PCIe Gen4／Gen5、10G／25G 乙太網路、DDR5 |
| 0.002～0.004 | 極低損耗 | 56G／112G SerDes、5G 基礎設施、雷達 |
| < 0.002 | 超低損耗（PTFE） | 毫米波（77 GHz 汽車雷達）、衛星通訊、航太 |
損耗因數對 PCB 效能的影響
訊號衰減與資料傳輸速率限制
每條高速串列連線都有損耗預算。發射器送出訊號的振幅，與接收器經過等化後仍能辨識邏輯位準的最低振幅之間存在差距。通道插入損耗在高頻下主要受到介電損耗影響，也會決定在訊號無法可靠辨識之前，走線所能允許的最大長度。
以下是幾項實際影響：
PCIe Gen5（32 GT/s、NRZ）：規格在奈奎斯特頻率 16 GHz 下允許約 36 dB 的通道插入損耗。若使用標準 FR4，僅 6 英吋走線就可能消耗相當比例的預算，留給連接器、導通孔及封裝內佈線的餘裕十分有限。
5G 毫米波（28 GHz、39 GHz）：標準 FR4 在這些頻率下幾乎無法提供可接受的效能，通常需要 PTFE 基材或特殊陶瓷填充低 Df 基板。
Df 增加時，眼圖品質也會隨之劣化。介電損耗的頻率相依性會形成低通濾波效應，使數位訊號邊緣變得圓鈍，進而增加抖動、降低眼高與眼寬，並限制最終可達成的位元錯誤率（BER）。
熱效應與可靠度考量
介電材料吸收的能量並未消失，而是轉換為熱。對高功率 RF 或具有大量作用中通道的高密度高速數位設計而言，介電發熱可能成為電路板熱負載的重要來源。
過度介電發熱會引發多項可靠度問題：
- Dk 隨溫度改變：基板受熱時，Dk 會產生變化並影響阻抗及傳播延遲，造成緊密差動對與匯流排的時序不確定性。
- 樹脂系統加速老化：溫度升高可能加速環氧樹脂或其他樹脂基體的化學老化，縮短電路板可用壽命。
- 熱循環應力：熱梯度會對鍍通孔及導通孔孔壁產生應力，在厚型多層板中尤其明顯。
一般數位設計的熱負載通常以元件發熱為主，而不是介電發熱；但在高功率 RF 電路板，例如主動式天線陣列或功率放大器中，選擇低 Df 材料不只是訊號完整性決策，也是熱管理決策。
選擇低 Df 材料以獲得理想效能
常見低 Df 基板及其特性
市場提供各種低 Df 材料，從強化型 FR4 到特殊 PTFE 基材系統都有。以下比較常見選項：
| 材料 | Dk（10 GHz） | Df（10 GHz） | Tg（°C） | 相對於 FR4 的成本 | 主要應用 |
|---|---|---|---|---|---|
| 標準 FR4（Tg 170） | 4.2～4.5 | 0.018～0.025 | 170 | 1 倍 | 一般數位電路、IoT |
| 生益 S1000-2M | 4.2 | 0.015 | 175 | 1.3 倍 | 中速數位電路 |
| Panasonic Megtron 4（R-5775K） | 3.8 | 0.008 | 200 | 3～4 倍 | 高速網路、PCIe Gen4 |
| Panasonic Megtron 6（R-5775N） | 3.4 | 0.004 | 200 | 5～6 倍 | 56G 以上 SerDes、5G 回傳網路 |
| Isola Astra MT77 | 3.0 | 0.0017 | 200 | 6～8 倍 | 毫米波、航太 |
| Rogers RO4003C | 3.38 | 0.0027 | >280 | 8～10 倍 | RF 前端、雷達 |
| Rogers RO4350B | 3.48 | 0.0037 | >280 | 8～10 倍 | RF 功率放大器、天線 |
| PTFE（RT/duroid 5880） | 2.2 | 0.0009 | 不適用 | 10～15 倍 | 衛星通訊、毫米波雷達 |
趨勢相當明顯：Df 越低，材料通常越昂貴，製造難度也往往越高。工程上的挑戰在於滿足訊號完整性要求，同時控制預算。
平衡 Df、成本與可製造性
實際上，許多高速設計會採用混合疊構，而不是整片電路板全部使用低 Df 材料。做法如下：
- 找出關鍵訊號層：識別承載最高速訊號的層別，例如 SerDes 通道、RF 走線及時脈分配。
- 只在必要位置使用低 Df 材料：針對關鍵訊號對，在相關核心板及相鄰半固化片層使用 Megtron 6 或同等材料。
- 其他位置使用標準或中等損耗材料：電源平面、低速控制訊號及機械支撐層可使用標準 FR4 或中等損耗材料。
- 確認相容性：並非所有材料都能良好接合。應確認熱膨脹係數（CTE）匹配、迴焊相容性，以及製造商建議的混合疊構組合。
JLCPCB 的低 Df PCB 製造能力
優質低 Df 材料與先進製程
JLCPCB 提供的不只是 FR4，而是完整的材料選擇。高速與高頻專案的工程師可選用多種低 Df 基板，包括常見的生益、Panasonic Megtron 系列、Rogers 及 Isola 材料。
多樣化材料會搭配先進製造技術，包括阻抗控制製程、雷射鑽微孔、複雜 HDI 逐次壓合及嚴格公差蝕刻。對採用 PTFE 基材的 RF 與毫米波設計而言，介電層厚度及銅層對位都會顯著影響成品的 Dk 與 Df 表現；JLCPCB 的製程控制可維持這些參數的一致性。
確保訊號效能一致的可靠生產
對高速通道而言，不同電路板與不同生產批次之間的一致性，和材料特性本身同樣重要。Df 變化 10% 對一般數位電路板可能影響不大，卻可能決定處於規格邊緣的 56G PAM4 通道能否正常運作。
JLCPCB 的品質管理包括進料檢驗、製程中阻抗測試（TDR 與網路分析儀），以及出貨前電性驗證。電路板可依 IPC-6012 Class 2 與 Class 3 標準製造，以確保成品符合設計所需效能。標準規格最快可於 1～2 天內完成，讓原型開發工程師能及時取得實體電路板，並將通道模擬結果與實際量測的 S 參數資料進行比較。
損耗因數常見問題
問：PCB 的損耗因數是什麼？
損耗因數（Df）又稱損耗角正切（tan δ），用來衡量 PCB 介電材料吸收多少電磁能量並將其轉換為熱，也就是介電材料每個週期損失能量與儲存能量之比。Df 越低，訊號損耗越少，對高速與高頻設計尤其重要。
問：高速 PCB 適合的損耗因數是多少？
工作速率超過 10 Gbps 的設計，通常建議使用在 10 GHz 下 Df 低於 0.010 的材料。56G 以上的極高速 SerDes 通道，目標 Df 應低於 0.005。Df 約為 0.020 的標準 FR4，通常只適合低於 5 Gbps 且頻率低於約 2～3 GHz 的應用。
問：損耗因數與介電常數有何不同？
介電常數（Dk）決定訊號傳播速度與傳輸線阻抗，損耗因數（Df）則決定介電層中有多少訊號能量轉換為熱而損失。兩者都是基板材料特性，也都會隨頻率改變。高速設計必須同時控制兩者：穩定的 Dk 可確保阻抗準確，低 Df 則可維持可接受的插入損耗。
問：高頻 RF 應用可以使用標準 FR4 嗎？
標準 FR4 的 Df 相對較高（0.018～0.025），而且 Dk 隨頻率的穩定性較差，因此通常不適合 2～3 GHz 以上的 RF 應用。RF 設計可依工作頻率考慮 Rogers RO4003C（Df＝0.0027）、RO4350B（Df＝0.0037）或 PTFE 基板（Df＜0.002）。
結論
損耗因數是選擇PCB 材料時不可忽視的重要參數。當頻率超過數 GHz，介電損耗可能成為最大的損耗機制，標準 FR4 往往無法達到現代串列通訊協定與 RF 系統所需效能。選用低 Df 材料是一項工程決策，必須瞭解所需頻率、對應疊構，並經常透過混合材料方案平衡效能與成本。解讀任何公開 Df 數值時，除了數值本身，也必須考量其背後的量測方法及測試頻率。
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