材料選型專題：微波 PCB 材料怎麼選？6 個材料指標與 CPW 共面波導的搭配邏輯

微波 PCB 設計完整指南

一、微波 PCB 設計的兩大支柱：材料與傳輸線結構

微波 PCB 的訊號完整性，由兩個耦合的決策共同決定：基板材料的電氣穩定性、與訊號走線的場限制能力。

材料端決定的是「訊號跑得多快、損耗多少、相位漂移多少」——介電常數（Dk）影響傳播速度與阻抗、損耗因子（Df）影響傳輸距離、熱膨脹（CTE）影響相位穩定性。傳輸線結構則決定「場是否被有效限制在走線附近」——微帶、帶狀線、共面波導（CPW）各有適用頻段與應用場景。

兩者必須一起設計。低 Dk/Df 的高階材料配上錯的傳輸線結構，仍會在 mmWave 頻段下出現 +3 dB 以上的不必要損耗；反之，選對 CPW 但搭配 Dk 不穩定的基板，阻抗會隨頻率漂移，影響回波損耗與 beam-forming 精度。

二、6 個微波 PCB 材料選型指標

材料端的 6 個關鍵指標如下：

| 指標 | 推薦值 | 物理意義 | | :--- | :--- | :--- | | 介電常數 Dk | 2–4（@10 GHz） | 決定訊號傳播速度與走線寬度；Dk 越穩定，阻抗隨頻率漂移越小 | | 損耗因子 Df | < 0.005 | 介電損耗主要來源；mmWave 應用建議 < 0.002 | | 熱膨脹係數 CTE | 10–20 ppm/°C（z 軸） | 與銅的 CTE 匹配，避免多層板熱應力與翹曲 | | 基板厚度 | > 10 GHz 時建議 10–20 mil | 太厚會在高頻誘發空間諧波模態 | | 損耗正切 tan δ | 0.0022–0.0095（10–30 GHz） | 含頻率相依的介電損耗特性 | | 吸濕率 | < 0.1% | 水分會推升 Dk 與 Df，破壞高頻穩定性 |

兩個工程上最常被忽略的細節：

• Dk 不是定值——同一塊基板，Dk 會隨頻率、溫度、玻璃布編織方向而變化，spec 上的 Dk 通常是 @10 GHz 量測值，設計時要拿到供應商的 Dk vs frequency 曲線。
• CTE 影響的不只是可靠度，更是相位穩定性——在相位陣列天線應用中，板子受熱膨脹會讓電氣長度漂移，破壞 beam-forming 精度，CTE 必須與銅（約 17 ppm/°C）匹配。

三、常見微波材料家族：Rogers RO3000/RO4000 與混壓板策略

業界主流的微波 PCB 材料以 Rogers 系列為主：

| 系列 | Dk 範圍 | 結構 | 適用情境 | | :--- | :--- | :--- | :--- | | RO3000™ | 3.0–10.2 | PTFE 填陶瓷 | mmWave、相位陣列、高頻一致性需求 | | RO4000™ | 2.55–6.15 | 烴類陶瓷 | 中高頻設計、製程友善、成本適中 | | Rogers TMM® | 3–13 | 進階熱微波層板 | 高機械強度、化學穩定 | | 純 PTFE | 2.6–2.7 | 純鐵氟龍 | 最低 Dk/Df，但金屬化難度高 |

選型邏輯上，RO3003（Dk 3, Df 0.0013）與 RO4350B（Dk 3.66, Df 0.0031）的取捨最常見：前者損耗更低，適合 24/28 GHz 5G、77 GHz 雷達等 mmWave；後者製程友善、成本較低，適合 6–15 GHz 主流應用。RO3006/RO3010（高 Dk）則用在需要小型化天線的場景。

對成本敏感的專案常採用混壓板策略——RF 訊號層用 Rogers、其他層用 FR-4，在性能與成本間取平衡。台灣板廠在這類混壓壓合上經驗成熟，但要注意 Rogers/FR-4 的 CTE 差異與壓合溫度匹配，必要時搭配 FEP、ceramic-filled PTFE 或 LCP 接著膜，並在疊構階段就算清楚層間應力。

四、為什麼 CPW 共面波導在 mmWave 越來越受歡迎？

走線結構選對，能在材料不變的情況下省掉 1–2 dB 的損耗。CPW 共面波導在 mmWave 應用中逐漸取代 microstrip，原因有四：

1. 場限制更好：CPW 的訊號線兩側有共面接地，電場主要被限制在訊號線與旁邊接地的 gap 之間，輻射損耗遠低於 microstrip
2. 可擴展到 30 GHz+：CPW 工作在 quasi-TEM 模式，色散低、介電損耗小，能延伸到 mmWave 與更高頻
3. 天線整合友善：CPW 是 patch antenna 與印刷天線最常見的饋入結構之一，訊號線與接地共面讓天線設計更靈活
4. 走線密度更高：因場被限制在 gap 內，走線間距可以更密，適合小型化 mmWave 模組

但 CPW 不是萬靈丹。它需要嚴格的對稱接地、共面 gap 必須精準控制（gap 對阻抗的影響甚於走線寬度），而且 layout 階段需要規劃 ground tie via，防止 surface wave 模態破壞訊號完整性。許多 RF 設計工程師偶爾使用、但不常用 CPW 的主因，就是這層額外的 layout 規劃成本。

五、CPW 的製造優勢與 PTFE 製程挑戰

CPW 在製造端的優勢同樣值得注意：

• 減少 via 需求：訊號與接地同層，shunt 元件或主動元件可直接掛在走線旁邊，不需貫孔換層
• 背面處理需求降低：CPW 不需要連續的背面接地層，可省掉部分 backside processing 與 via stitching
• 阻抗控制更直觀：CPW 阻抗主要由訊號線寬度與 gap 比例決定，受介電層厚度影響較小，DFM 容差更寬
• 自動化兼容：元件擺放與焊接與標準 SMT 製程相容，不需特殊治具

但 PTFE 基板（含 RO3003 等高階 Rogers 系列）有一個製程上的隱藏挑戰：PTFE 表面化學惰性高，銅箔附著困難。業界標準做法是在電鍍或壓合前，對基板做電漿處理（plasma treatment）或鈉蝕刻（sodium etch）——前者用電漿活化 PTFE 表面、後者用鈉聯氨化學蝕刻打粗微結構。較厚的 PTFE 板通常需要鈉蝕刻才能取得足夠剝離強度。這也是為什麼 PTFE 微波板在 DFM 階段就要與板廠確認製程能力，而不是等試樣失敗才回頭調整。

結語：材料與結構是耦合的決策，DFM 階段就要一起算清楚

微波 PCB 從來不是「選一片 Rogers 就會過」的問題。Dk/Df 在不同頻率下的變化、CTE 與其他層的搭配、PTFE 的金屬化處理、CPW vs microstrip 的選擇、CPW 的 ground tie via 規劃——這些變數彼此耦合，必須在 spec 與 layout 階段一起決定。

我們在協助客戶做微波/RF 板的 DFM 預審時，最常見的問題集中在三個地方：

• 在 mmWave 應用沿用 RO4350B 等中階材料，導致 Df 不夠低、長走線損耗超預期
• 混壓板的 Rogers/FR-4 CTE 差異未在疊構階段處理，壓合後出現翹曲或層間分離
• CPW gap 寬度未考慮製程公差（典型 ±1 mil），導致實測阻抗與模擬差距過大

eCloud 在 RF/微波、mmWave、衛星通訊與車用雷達等高頻應用累積了豐富的混壓板、PTFE 板與 CPW 結構打樣經驗。下一個 mmWave 或 RF 專案規劃中？歡迎與我們的工程團隊聯繫，在 layout 階段就取得材料、疊構、阻抗與 DFM 整合的預審意見，避免從試樣到量產之間出現非預期的損耗或可靠度問題。