PCB 材料指南：類型、選用及其對效能的影響
2 分鐘
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。
| 材料 | Dk | 應用場景 |
| Rogers RO4350B | 3.48 | 天線、5G、射頻模組 |
| RO4003C | 3.38 | 低成本射頻電路板 |
| RT/Duroid 5880 | 2.20 | 衛星、雷達 |
| Teflon/PTFE | 2.1–2.4 | 超低損耗射頻 |
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：
| 材料類型 | 成本 | 效能 | 最佳應用場景 |
| 標準 FR-4 | 低 | 良好 | 消費性電子產品 |
| 高 Tg FR-4 | 中 | 較佳熱可靠度 | 工業、汽車 |
| Rogers/PTFE | 高 | 卓越射頻與高速 | 5G、射頻與微波 |
| 聚醯亞胺 (軟板) | 高 | 靈活 + 耐高溫 | 穿戴式裝置與航太 |
| 金屬芯 | 中 | 優異散熱處理 | LED 與電源板 |
| 陶瓷基板 | 極高 | 卓越電熱行為 | 雷達與航太 |
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。
持續學習
如何選擇 PCB 的厚度
首先，在電子產品的世界裡，PCB 常被稱為「心臟」，它將所有元件連接在一起，因此板厚成為這一關鍵零件的重要參數。PCB 厚度是否選用得當，直接影響最終電子產品的性能、穩定性與可靠度。 選擇 PCB 厚度的過程會受到多種因素影響，例如產品應用場景、板材材質與銅層數量。因此，在決定 PCB 厚度時，必須綜合考量這些因素。 不同 PCB 厚度的特性與應用 最常見的 PCB 厚度包括 0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm。不同厚度的 PCB 對電路性能會產生不同影響。 超薄 PCB（0.6 mm 以下） 超薄 PCB 重量輕、柔軟且易彎折，適合對空間效率要求極高的產品，例如： 智慧型手機與平板電腦 穿戴式裝置 機器人 筆記型電腦 無人機 這些產品需要極薄極輕的 PCB，因此採用超薄厚度才能滿足需求。然而薄板的承載能力相對較弱，不適合需要承載較重元件的場景。 中薄 PCB（0.6–1.6 mm） 中薄 PCB 在厚度與承載能力之間取得良好平衡，適用於大多數電子產品，包括電腦主機板與家電控制板。中板的剛性與穩定性適中，可滿足大部分應用情境。與其他厚度......
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