Tecnología de PCB - El fabricante de PCB explica qué es la constante dieléctrica fr4

La hoja FR - 4 es una hoja de PCB recubierta de cobre de doble cara, hecha de resina epoxi + tela de vidrio. Por lo general, se utiliza un chapado de cobre fr4, cuya constante dieléctrica con respecto al aire es de 4,2 - 4,7. La constante dieléctrica de fr4 cambia con la temperatura, y en el rango de temperatura de 0 - 70 grados, el rango máximo de cambio puede alcanzar el 20%. Los cambios en la constante dieléctrica provocarán un cambio del 10% en el retraso de la línea. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será el retraso. La constante dieléctrica también cambia con la frecuencia de la señal. Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la constante dieléctrica de fr4. Por lo general, el valor clásico de la constante dieléctrica fr4 es de 4,4. La constante dieléctrica cambia con la frecuencia, como se muestra en la figura.

Constante dieléctrica fr4

La constante dieléctrica fr4 (dk, er) determina la velocidad a la que las señales eléctricas se propagan en el medio. La velocidad de propagación de la señal eléctrica es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la constante dieléctrica. Cuanto menor sea la constante dieléctrica, más rápida será la transmisión de la señal. Hagamos una analogía vívida, como si estuvieras corriendo por la playa. La profundidad del agua inundó tus tobillos. La viscosidad del agua es una constante dieléctrica. Cuanto mayor sea la adherencia del agua, mayor será la constante dieléctrica y más lenta será la velocidad de funcionamiento.

La constante dieléctrica no es fácil de medir o definir. Está relacionado no solo con las características del medio, sino también con el método de prueba, la frecuencia de prueba y el Estado del material antes y durante la prueba. La constante dieléctrica también cambia con la temperatura. Algunos materiales especiales tienen en cuenta el factor de temperatura durante el desarrollo. La humedad también es un factor importante que afecta la permitividad, ya que la Permitividad del agua es de 70, y poca humedad puede causar cambios significativos.

Pérdida dieléctrica en forma de placa FR - 4: pérdida de energía producida por el material aislante bajo la acción de un campo eléctrico debido al efecto de estancamiento de la conductividad dieléctrica y la polarización dieléctrica. También se llama pérdida dieléctrica, conocida como pérdida dieléctrica. Bajo la acción de un campo eléctrico alterna, el ángulo complementario del ángulo entre el Fasor de corriente y el Fasor de tensión que fluye en el medio (ángulo del factor de potencia) se llama ángulo de pérdida dieléctrica. La pérdida dieléctrica de las tabletas fr4 suele ser de 0,02, y la pérdida dieléctrica aumentará con el aumento de la frecuencia.

Valor de Tg de las tabletas fr4: también conocido como temperatura de transición vítrea, generalmente 130 grados celsius, 140 grados celsius, 150 grados celsius, 170 grados celsius.

Espesor convencional de las láminas fr4

Espesor común: 0,3 mm, 0,4 mm, 0,5 mm, 0,6 mm, 0,8 mm, 1,0 mm, 1,2 mm, 1,5 mm, 1,6 mm, 1,8 mm, 2,0 mm. por supuesto, el error de espesor de la placa debe basarse en la capacidad de producción de la fábrica de placas fr4.

Espesor común del cobre de los laminados recubiertos de cobre fr4: 0,5 onzas, 1 onza, 2 onzas y otros espesores de cobre también están disponibles, por lo que es necesario consultar a IPCB para determinar.

La dispersión es un efecto óptico importante y también es importante en los PCB de alta velocidad y los PCB de alta frecuencia. En el pcb, diferentes señales se propagan a diferentes velocidades en el rastro.

Al igual que cualquier otro material, la dispersión de fr4 puede afectar los pulsos y ondas de viaje en los rastros de pcb. Los principios físicos que describen la dispersión son bien conocidos y se pueden utilizar para desarrollar modelos de análisis del comportamiento de la señal en los pcb.

Para aquellos que pueden no recordar sus propios cursos de ingeniería o física, la constante dieléctrica (y el índice de refracción) en el material es una función de la frecuencia de propagación de las ondas electromagnéticas. Por eso los prismas se pueden utilizar para separar la luz blanca en colores arcoíris. Del mismo modo, la tasa de absorción de las ondas electromagnéticas también es una función de la frecuencia de las ondas electromagnéticas.

Esto tendrá muchos efectos en los PCB fr4. Estos efectos son particularmente importantes en aplicaciones de PCB de alta velocidad o PCB de alta frecuencia. La variación de la constante dieléctrica fr4 con la frecuencia se llama dispersión, lo que hace que diferentes componentes de frecuencia en los pulsos eléctricos en los rastros de PCB se propaguen a diferentes velocidades. En el caso de la dispersión de color positivo (la constante dieléctrica aumenta con la frecuencia), los componentes de frecuencia más alta llegan a la carga más tarde que los componentes de frecuencia más baja, y viceversa.

Los pulsos digitales son en realidad solo una superposición de ondas analógicas, y el impacto de la dispersión en cada componente de frecuencia es ligeramente diferente. El fr4 tiene una dispersión negativa precisamente en términos de velocidad de propagación de la señal, pero la colocación de laminados con dispersión positiva en el sustrato puede compensar la distorsión de la señal y reducir la pérdida.

La mayor parte del espectro (alrededor del 75%) del pulso digital se concentra entre la frecuencia del interruptor y la frecuencia del punto de inflexión. La frecuencia del punto de inflexión es aproximadamente un tercio de la cuenta atrás del tiempo de subida de la señal. La aproximación adecuada solo considera la dispersión a la frecuencia del interruptor, pero esta aproximación solo se aplica a la dispersión baja y media.

La cizalla del ángulo de pérdida del fr4 también cambia con la frecuencia hasta que aumenta rápidamente a unos 100 kHz y luego aumenta constantemente hasta unos 100 ghz. Por lo tanto, la atenuación es mayor a frecuencias más altas, pero el estiramiento causado por el pulso digital no será demasiado grave. A menor frecuencia y velocidad de datos, el estiramiento es más importante, lo que afectará la tolerancia al desajuste de la longitud del rastro.

En comparación con las señales analógicas, los rastros de PCB en fr4 tienden a tener mayores pérdidas que otros materiales de PCB dedicados a aplicaciones de señales analógicas en el rango de ghz. Por lo tanto, las placas fr4 para aplicaciones de alta velocidad / alta frecuencia deben incluir laminados de alta velocidad para reducir las pérdidas y compensar la dispersión negativa inherente a fr4. Además, debe usar otros materiales dedicados a aplicaciones de radiofrecuencia.

Teniendo en cuenta que la dispersión en el modelo de circuito de la línea de transmisión se realiza sobre la base de cada unidad de longitud. En otras palabras, los parámetros importantes para el modelado de la línea de transmisión son la resistencia en serie y la inducción en serie del conductor, la conducción paralela del dieléctrico y la capacidad entre el conductor y su ruta de retorno. Es importante considerar los cambios en la conductividad eléctrica del convertidor y la constante dieléctrica fr4 con la frecuencia.

La conductividad eléctrica del material fr4 se divide en componentes estáticos y componentes relacionados con la frecuencia, que son proporcionales a la pérdida dieléctrica y la frecuencia. Al mismo tiempo, la constante dieléctrica fr4 es esencialmente una función de la frecuencia, que se debe a la excitación de la carga superficial o la oscilación dipolo a baja frecuencia, o la vibración de la red cristalina y la excitación de la transición electrónica a alta frecuencia.

En cuanto al establecimiento de un modelo de circuito para los PCB fr4, la capacidad total y la conducción paralela deben determinarse a la frecuencia de la señal de interés en fr4. Al modelar el comportamiento del circuito, estos valores deben incluirse en el modelo del circuito que rastrea la placa fr4. Los cálculos involucrados son básicos, pero los valores incorrectos pueden hacer que el modelo produzca resultados que no coincidan con la situación real.

Por supuesto, puede usar la ecuación para analizar la línea de transmisión de cada parte de la placa de circuito, pero también puede usar un simulador de circuito basado en spice. Necesita incluir la conductividad de desviación correcta y los valores de condensadores del sustrato de PCB fr4 a la frecuencia que le interesa.

Además, dado que se ha determinado la constante dieléctrica fr4 a la frecuencia relevante, se pueden incluir los valores correctos en el Solucionador de campo tridimensional. Esto le permite revisar el campo de radiación, lo que puede causar problemas de integridad de la señal en todo el equipo o en el diseño de varias placas.