Leiterplatte Blog - FR4 Dielektrizitätsfestigkeit

Typische fr4 dielektrische Festigkeitswerte reichen von 800v/mil bis 1500v/mil. Die elektrische Stärke wird bestimmt, indem das Leiterplattenmaterial in einen kurzen Hochspannungsimpuls mit einer Standard-Wechselstromstromfrequenz gelegt wird.

FR4-Material hat eine hohe dielektrische Festigkeit, die zu seiner elektrischen Isolationsleistung beiträgt. Entsprechend der Glasfaserwebmethode, dem Harz und der Stärke ist die dielektrische Stärke von Fr4 45-70 kV/mm, was bedeutet, dass es bestimmte Schutzmaßnahmen erfordert, um seine Sicherheit aufrechtzuerhalten. Der Wärmeausdehnungskoeffizient bezieht sich auf die Längenänderung eines Materials unter Temperaturänderungen, normalerweise ausgedrückt in ppm/° C. Die dielektrische Konstante (Dk) von FR4 variiert im Bereich von 3,8 bis 4,8 MHz.

FR4 ist ein häufig verwendetes glasfaserverstärktes Epoxidlaminatmaterial mit hervorragenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Im Bereich der Elektronik ist die dielektrische Konstante von FR4 ein wichtiger Leistungsparameter.

Die dielektrische Konstante von FR4 liegt normalerweise zwischen 4 und 6, was ein relativ hoher Wertebereich ist. Dadurch spielt FR4 eine wichtige Rolle beim Design elektronischer Schaltungen. Erstens ermöglicht die hohe Dielektrizitätskonstante von FR4, verschiedene Signalleitungen in der Schaltung effektiv zu isolieren und Interferenzen zwischen Signalen zu vermeiden. Zweitens kann eine hohe dielektrische Konstante auch den Kapazitätswert des Kondensators erhöhen und die Leistung der Schaltung verbessern.

Die Beziehung zwischen dielektrischer Stärke und dielektrischer Konstante

1.Konzept

a: Dielektrische Festigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Hochspannung zu widerstehen, ohne dielektrischen Bruch zu erzeugen. Die Probe wird zwischen Elektroden platziert und die angelegte Spannung wird durch eine Reihe von Schritten angehoben, bis dielektrischer Bruch auftritt, um die dielektrische Stärke zu messen.

b: Die dielektrische Konstante wird verwendet, um die Leistung eines Isolators bei der Speicherung elektrischer Energie zu messen. Es ist das Verhältnis der Kapazität zwischen zwei Metallplatten unter Verwendung von Isoliermaterial als Medium zur Kapazität zwischen den gleichen zwei Platten unter Verwendung von Luft als Medium oder Vakuum. Die dielektrische Konstante stellt den Polarisationsgrad des Dielektrikums dar, d.h. die Fähigkeit, Ladungen zu binden. Je größer die dielektrische Konstante, desto stärker ist die Fähigkeit, Ladungen zu binden.

2.Der Effekt der Temperatur auf dielektrische Konstante

Temperatur hat auch einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften von Substanzen,da sie die Wechselwirkungen zwischen Molekülen beeinflusst. Im Allgemeinen, wenn die Temperatur steigt, schwächt sich die Wechselwirkung zwischen Molekülen ab, was zu einer Abnahme der Polarisation und einer Abnahme der dielektrischen Konstante führt. Aufgrund der Intensivierung der molekularen Bewegung, die durch einen Temperaturanstieg verursacht wird, ist der Abbau jedoch anfällig, unter der Einwirkung eines externen elektrischen Feldes zu erfolgen, und die dielektrische Stärke wird auch entsprechend abnehmen.

3.Kontakt

Dielektrische Stärke bezieht sich auf die maximale elektrische Feldstärke, die ein Material in einem elektrischen Feld aushalten kann. Wenn die elektrische Feldstärke die dielektrische Stärke des Materials überschreitet, erfährt das Material einen elektrischen Ausfall. Je größer die dielektrische Konstante, desto stärker ist der Widerstand des Materials gegen elektrische Felder, und es bedeutet auch, dass die dielektrische Festigkeit des Materials höher ist.

Die dielektrische Konstante ist eine physikalische Größe, die die Fähigkeit eines Materials beschreibt, auf ein elektrisches Feld zu reagieren und die Geschwindigkeit der elektrischen Feldausbreitung im Material widerspiegelt. Je höher die dielektrische Konstante, desto langsamer ist die Geschwindigkeit der elektrischen Feldausbreitung im Material.

FR4 Dielektrische Konstante gegenüber Frequenz

Die Dielektrizitätskonstante von FR4-Materialien nimmt bei hohen Frequenzen ab und fällt normalerweise nahe 4,0 vom typischen Wert von 4,7 bei Signalfrequenzen über 5 GHz ab, eine Änderung, die für das PCB-Design entscheidend ist. Diese Änderung, bekannt als Dispersion, bewirkt, dass Signale mit unterschiedlichen Frequenzkomponenten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Leiterplattenausrichtung ausbreiten, was letztlich zu Signalverzerrungen führen kann.

Signalausbreitungsgeschwindigkeit

Wenn die dielektrische Konstante mit der Frequenz variiert, werden die Phasengeschwindigkeit und Gruppengeschwindigkeit des Signals beeinflusst. Die Phasengeschwindigkeit ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der dielektrischen Konstante, was bedeutet, dass eine Abnahme der dielektrischen Konstante die Signalausbreitung beschleunigt. Diese inkonsistente Ausbreitungsgeschwindigkeit kann jedoch Phasenunterschiede zwischen den verschiedenen Frequenzkomponenten des Signals verursachen, wenn es das Empfangsende erreicht, was letztlich zu Verzerrungen und Verschlechterung der Signalintegrität führen kann.

Zunahme des Signalverlustes

Bei hohen Frequenzen steigt der Verlustfaktor (Df) von FR4-Materialien deutlich an. Dies bedeutet, dass während der Signalübertragung die Signalstärke aufgrund von dielektrischen Verlusten allmählich abnimmt, was zu Signalverzerrungen führen kann. Dieser Verlust ist besonders bei der digitalen Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung signifikant, da je höher die Frequenz, desto größer die Dämpfung des Signals.

Zusammenfassend können Veränderungen in der Dielektrizitätskonstante von FR4-Materialien bei hohen Frequenzen zu Folgendem führen:

Signalverzerrung: Aufgrund der inkonsistenten Ausbreitungsgeschwindigkeiten der verschiedenen Frequenzkomponenten können Zeitverzögerungen ausgelöst werden, die zu Verzerrungen der Signalwellenform führen.

Signaldämpfung: Erhöhter Verlustfaktor kann zu einer schnellen Verschlechterung des Signals während der Übertragung führen, was die Signalstärke und -zuverlässigkeit beeinflusst.

Materialauswahlstrategien: Bei der Entwicklung von Hochfrequenzschaltungen kann es notwendig sein, Materialien mit niedrigeren dielektrischen Konstanten und geringeren Verlusten wie Keramik oder PTFE zu verwenden, um die Signalintegrität zu erhalten.

FR4 dielektrische Festigkeit ist ein Maß für die elektrische Festigkeit eines Materials als Isolator, und je höher die dielektrische Festigkeit, desto besser seine Qualität als Isolator. Wenn die elektrische Feldstärke die dielektrische Stärke des Materials überschreitet, kann das Material elektrischen Ausfall oder Ausfall erfahren, was zu einem plötzlichen Anstieg des Stroms und des elektrischen Versagens führt.