PCB 材料指南：類型、選用及其對效能的影響

如果 PCB 材料會說話，FR-4 可能會說：「我掌管了 80% 的電子產業，卻還是沒人感激我。」Rogers 會自豪地說：「我很貴，因為我很特別。」而聚醯亞胺 (Polyimide) 則會展現它的韌性說：「我能屈能伸，彎而不折。」

這篇部落格的目的，是向您介紹可用的 PCB 基板類型，以及這些材料如何影響 PCB 的效能、熱穩定性、訊號完整性和整體壽命。選擇 PCB 材料主要基於兩點：應用場景與設計複雜度。FR-4 是目前所有愛好者的最佳選擇，但我們將探討它何時會失效。為什麼我們需要其他材料？什麼樣的材料在打高空或太空環境中表現最佳？這份指南將涵蓋您所需的一切。

PCB 材料基礎知識

在選擇基板之前，了解 PCB 材料實際的作用會很有幫助。不，它們不只是「PCB 上綠色的部分」。它們控制著電氣行為、散熱效能、機械剛性，甚至是製造的可行性。

基板在電路板耐用性中的角色

基板是 PCB 的基礎，其工作包括：

• 固定銅走線的位置

• 提供層與層之間的絕緣

• 在受熱時保持尺寸穩定性

• 抵抗濕氣與老化

基板若強度不足，可能導致 PCB 在迴流焊接 (Reflow) 期間發生翹曲，或在熱循環 (Thermal Cycling) 時導致導通孔 (Via) 破裂，並像海綿一樣吸收濕氣，產生爆板 (Popcorn) 的風險。基板對 PCB 的阻抗穩定性有重大影響。劣質基板會讓您的 PCB 像一件便宜的家具：外表看起來不錯，但在負載下就會變得無法使用。

評估材料的關鍵特性：

材料特性決定了電路板在實際環境下的表現。我們可以根據「三大指標」來評估材料：

1) 玻璃轉化溫度 (Tg)：

PCB 材料的一個特點是玻璃轉化溫度 (Tg)。這代表 PCB 從玻璃態轉變為橡膠態的轉折點。不同材料有不同的 Tg 點。

• 標準 FR-4：130–140°C

• 高 Tg FR-4：170–180°C

• 聚醯亞胺 (Polyimide)：250–400°C

由於無鉛焊接製程的溫度較高，高 Tg 材料在迴焊過程中比低 Tg 材料更可靠。聚合物也優化適用於生產薄膜加熱器；JLCPCB 已使用此類材料生產相關產品。

2) 熱膨脹係數 (CTE)：

CTE 控制材料隨熱量膨脹的程度。CTE 越高，導通孔彈出的風險就越大。這就是為什麼我們總是追求較低的 CTE。您可以把 CTE 想像成 PCB 的「耐性」，越低越好。

3) 介電常數 (Dk) 與 介質損耗 (Df)：

PCB 的介電常數 (Dk) 和介電損耗因子 (Df) 直接決定了產品的電氣效能和阻抗特性。具體而言，較低的 Dk 值可實現更高的訊號傳播速度，而較低的 Df 值可減少訊號損失。射頻 (RF) 工程師對這些參數的關注程度，就像攝影師關注鏡頭銳利度一樣。Dk 和 Df 是研究各種介電材料時的首要考量。

熱門 PCB 材料類型

PCB 材料形成了一個從經濟實惠的 FR-4 到價格不菲的高頻層壓板的層級結構。

標準應用中的 FR-4 及其變體

FR-4 常被稱為 PCB 基板中的「瑞士軍刀」，以價格實惠、強度高且易於加工著稱。其變體包括：

• FR-4 標準 Tg (130°C)

• FR-4 中 Tg (150–160°C)

• FR-4 高 Tg (170–200°C)

FR-4 主要用於：

• 微控制器 (MCU)

• 電源供應器

• 物聯網 (IoT) 裝置

但在以下應用中應避免使用 FR-4：

• 5G

• 微波無線電

• 10–20 GHz 以上的高速 SerDes

高頻材料 (Rogers, Teflon)

對於射頻和高速設計，FR-4 會變成一個「吵鬧的鄰居」，在 GHz 頻率下，介電質中的損耗會增加，導致訊號非常不穩定。

這些材料用於高頻範圍，以補償介電損耗，其特點包括：

• 低且穩定的介電常數

• 極低的損耗正切 (Loss Tangent)

• 優異的溫度表現

它們的成本高於 FR-4，且需要特殊的加工製程，這也是為什麼這些基板的生產週期較長的原因。

軟性 PCB 基板：

軟板使用聚醯亞胺 (Polyimide) 基材，以其高耐熱性和優異的彎曲性著稱。這些軟板可設計為多次彎曲，應用於：

• 穿戴式裝置

• 折疊式設備

• 航太

在某些應用中，針對有機械運動的設計，您可能需要考慮使用軟硬結合板 (Rigid-flex)。由於這些電路板的厚度可以薄至 5 mil，因此可以實現良好的訊號完整性。

影響材料選擇的因素

選擇合適的 PCB 材料類比於選擇正確的 CPU：它是價格、效能與未來需求之間的權衡。

成本與效能的權衡

• FR-4：便宜、通用

• 高 Tg FR-4：略貴，可靠度更好

• Rogers/PTFE：為了頂級射頻效能付出溢價

• 聚醯亞胺：為了靈活性與高溫穩定性付出高成本

• 陶瓷：成本極高，但具有無敵的熱特性

環境與熱考量

實驗室中製作的電路也必須在真實條件下運作。例如：您的 PCB 不生活在真空中（除非它在衛星上）。需考慮的因素包括：

• 運作溫度

• 濕氣暴露

• 振動與衝擊

• 耐化學性

• 散熱要求

材料對 PCB 可靠度的影響

材料選擇直接關係到 PCB 的壽命、訊號穩定性和欄位故障率。

基板如何影響訊號完整性

PCB 材料直接影響阻抗、串擾 (Crosstalk)、計時偏離 (Timing Skew) 和電磁干擾 (EMI) 行為。因為我們都知道訊號有回流電流，在高頻下，訊號能量在基板的介電空間中流動。單是 FR-4 的變動就可能導致 ±10% 的阻抗漂移。Rogers 保持嚴格的公差，非常適合射頻路徑、天線、SerDes 和差分對。訊號完整性嚴重依賴於：

• 一致的介電常數

• 低損耗正切

與材料選擇不當相關的常見故障：

1. 導通孔孔壁破裂：在溫度循環較多時使用了高 CTE 材料。

2. 分層：在迴焊期間使用了低 Tg 的 FR-4。

3. 阻抗失配：在 GHz 設計中使用了 FR-4。

4. 濕氣吸收故障：在潮濕環境中使用了聚醯亞胺或 FR-4。

5. 介電擊穿：在簡單 PCB 基板上使用高壓電路。

材料採購與測試

一旦決定了材料，下一個挑戰就是尋找合適的供應商並驗證品質。

供應商評估清單

可靠的 PCB 材料供應商必須提供：

• 一致的 Dk/Df 控制

• 詳細的數據表 (Datasheets)

• 符合 IPC-4101 標準

• RoHS/REACH 認證

• UL94 阻燃等級

基礎材料鑑定測試

在大規模生產之前，請進行鑑定測試：

如果供應商未通過這些測試，請禮貌地拒絕繼續下單。

PCB 材料的新興趨勢

隨著技術進步，我們今天選擇的材料需要適應更高的頻率和更小的特徵尺寸，同時也應遵守環保法規。

永續與無鉛創新

• 無鹵素 (Halogen-free) FR-4

• 可回收基板

• 生物基層壓板

• 低碳製造製程

• 兼容無鉛製程的高 Tg 材料

環境合規性已不再是選項，特別是在全球市場中。

5G 與車用需求

• 毫米波 (mmWave) 所需的超穩定 Dk/Df

• 高溫穩定性 (150–200°C)

• 低 EMI 排放

• 用於可靠度的低 CTE

• 高導熱率

• 高壓承受能力（用於電動車電力電子設備）

從 ADAS 雷達到電動車充電器，材料科學現在是下一代電子的支柱。

結論

選擇合適的 PCB 材料是電路板設計中最關鍵的決策之一。基板限制可以在製造商網頁上找到，他們會提供數據表並提到高頻下的損耗。以下提供材料效能矩陣表：

既然設計師已經了解了 Dk、Df 和其他材料常數，選擇正確的基板就是他們的職責。透過這些基板，您可以顯著改善訊號的整體效能並減少串擾。然而，我也看過有人即使在低頻、非關鍵訊號中也使用高階基板，這只是一個昂貴的錯誤。關鍵點是：如果低成本方案可行，就採用它。