Rogers vs PTFE vs Teflon：為高頻設計選擇最佳 PCB 層壓板
2 分鐘
- 為何在 PCB 設計中材料選擇至關重要
- 認識這些材料
- 實際影響：傳輸線範例
- 如何選擇合適材料
- 結論：
FR4 雖然最受歡迎，卻不一定適用於高頻 PCB，因為這種 PCB 基材 會在高頻下削弱訊號性能。問題不在於導電材料，而在於基板的介電特性——介電質本身就會在高頻衰減訊號。經過大量研究，我們找到了幾種優秀材料：Rogers、PTFE 與 Teflon 基材。它們提供更佳的介電控制、更低的訊號損耗與更優的熱穩定性，但成本與標準 FR4 差距甚大。本指南將帶您了解：
- Rogers、PTFE 與 Teflon 基材的基礎知識。
- 比較它們的介電常數、損耗與熱性能。
- 提供詳細設計範例，展示材料選擇如何影響射頻用途的 PCB 走線。
為何在 PCB 設計中材料選擇至關重要
基材的兩項關鍵電氣特性決定了其在高頻電路中的表現：
1. 介電常數 (Dk 或 εr)：
決定訊號傳播速度。Dk 值越低，訊號速度越快、波長越長，也會影響走線阻抗計算。Rogers 通常提供 Dk = 2.2–6.5，PTFE/Teflon 約為 2.1。
2. 損耗因子 (Df 或 tan δ)：
代表介電損耗（射頻能量有多少轉為熱能）。損耗因子越低，效率越高。以下為 FR4、Rogers 與 PTFE 的比較表：
● FR-4：~0.015–0.02 @ 1 GHz
● Rogers RO4350B：~0.0037
● PTFE/Teflon：~0.0002–0.0009
認識這些材料
1. Rogers 基材：
Rogers 公司提供多種高頻 PCB 基材（如 RO4000、RO3000 系列），成分為碳氫陶瓷或 PTFE 複合材料。因其低損耗特性，從數百 MHz 到數十 GHz 皆表現優異，且熱穩定性優於其他高頻材料，常用於雷達、衛星與精密射頻技術。
2. PTFE（聚四氟乙烯）基材
一種聚合物，介電常數隨頻率變化極小，損耗在所有材料中最低，但較易受熱影響。電氣訊號處理能力極佳，然機械性質柔軟，銅層會隨溫度膨脹或收縮，常見於醫療與雷達應用。
3. Teflon 基材
Teflon 為杜邦/Chemours 註冊的 PTFE 品牌。在 PCB 領域，「Teflon 板」通常指 PTFE 基板，具與 PTFE 相同的低損耗、低 Dk 特性，但多指純 PTFE 或 PTFE 複合材料。因其柔軟，需特殊製程，常見於 >10 GHz 的極高頻微波板與航太通信。
實際影響：傳輸線範例
實例：設計 10 GHz 的 50 Ω 微帶線，板厚 0.8 mm，銅厚 35 μm，計算達到 50 Ω 阻抗所需的走線寬度。
1. 案例 A：Rogers RO4350B
Dk = 3.48，Df = 0.0037，使用微帶阻抗公式：
● 所需寬度 ≈ 1.6 mm
● 衰減 ≈ 0.26 dB/inch
2. 案例 B：PTFE/Teflon
Dk = 2.1，Df = 0.0005，使用微帶 阻抗 公式：
● 所需寬度 ≈ 2.45 mm
● 衰減 ≈ 0.04 dB/inch
3. 案例 C：FR-4（對照組）
Dk ≈ 4.4，Df ≈ 0.017，使用微帶阻抗公式：
● 所需寬度 ≈ 1.35 mm
● 衰減 ≈ 0.82 dB/inch（10 GHz 時訊號損失明顯）
Dk 越低，相同阻抗下走線越寬，會影響版面空間。PTFE/Teflon 因極低損耗因子，在超高頻表現遠優於 FR-4 與 Rogers，而 Rogers 又比純 PTFE/Teflon 更易加工。
如何選擇合適材料
何時選 Rogers：
● 中到高頻設計，最高約 20 GHz。
● 需在性能與可製造性間取得平衡。
● 混合訊號板，同時具備 RF 與數位區塊。
何時選 PTFE/Teflon：
● 需要極低損耗（雷達、衛星通信）。
● 頻率 >20 GHz。
● 極端環境下需高可靠度（太空）。
結論：
在 Rogers、PTFE 與 Teflon 之間的抉擇，取決於：
● 頻率與損耗預算
● 製造能力
● 預算
● 機械限制
本文已詳細說明各項考量。對多數 RF 設計者而言，Rogers RO4350B 在 20 GHz 內是「甜蜜點」；若為尖端超低損耗系統，PTFE/Teflon 仍無可匹敵。使用高頻材料時，難免會遇到 製造挑戰。
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