Technologie PCB - Les fabricants de PCB expliquent ce qu'est la constante diélectrique fr4

La carte fr - 4 est une carte PCB en cuivre recouverte double face en époxy + tissu de verre. On utilise généralement des plaques de cuivre recouvertes de fr4 dont la constante diélectrique par rapport à l'air est de 4,2 à 4,7. La constante diélectrique fr4 varie avec la température et peut varier jusqu'à 20% dans la plage de température de 0 à 70 degrés. Une variation de la constante diélectrique entraînerait une variation de 10% du retard de la ligne. Plus la température est élevée, plus le retard est important. La constante diélectrique varie également avec la fréquence du signal. Plus la fréquence est élevée, plus la constante diélectrique fr4 est faible. En général, la valeur classique de la constante diélectrique fr4 est de 4,4. La constante diélectrique varie en fonction de la fréquence, comme le montre la figure.

Fr4 constante diélectrique

La constante diélectrique fr4 (DK, er) détermine la vitesse de propagation du signal électrique dans le milieu. La vitesse de propagation du signal électrique est inversement proportionnelle à la racine carrée de la constante diélectrique. Plus la constante diélectrique est faible, plus le signal est transmis rapidement. Faisons une analogie vivante, comme si vous couriez sur la plage. La profondeur de l'eau inonde vos chevilles. La viscosité de l'eau est une constante diélectrique. Plus l'eau est visqueuse, plus la constante diélectrique est élevée et plus vous courez lentement.

La constante diélectrique est moins facile à mesurer ou à définir. Elle est liée non seulement aux caractéristiques du milieu, mais aussi à la méthode d'essai, à la fréquence des essais, à l'état des matériaux avant et pendant les essais. La constante diélectrique varie également avec la température. Certains matériaux spéciaux ont été développés en tenant compte des facteurs de température. L'humidité est également un facteur important qui affecte la constante diélectrique, car l'eau a une constante diélectrique de 70 et très peu d'humidité peut provoquer des changements importants.

Fr - 4 pertes diélectriques en feuille: perte d'énergie due à l'effet hystérésis de la conductivité diélectrique et de la polarisation diélectrique du matériau isolant sous l'effet d'un champ électrique. Également appelées pertes diélectriques, les pertes diélectriques sont abrégées. Angle entre la quantité de phase de courant et la quantité de phase de tension circulant dans le diélectrique (angle de facteur de puissance) sous l'effet d'un champ électrique alternatif. Les pertes diélectriques de la plaque fr4 sont généralement de 0,02, et les pertes diélectriques augmentent avec la fréquence. Fr - 4 peut être divisé par facteur de perte (DF) en: plaque à perte normale: dfâ ¥ 0,02 plaque à perte moyenne: 0,01 Ω DF < 0,02 plaque à faible perte: 0005 Ω DF < 0,01 plaque à très faible perte

Valeur TG de la Feuille fr4: également appelée température de transition vitreuse, généralement 130 degrés Celsius, 140 degrés Celsius, 150 degrés Celsius, 170 degrés Celsius.

Épaisseur conventionnelle de la Feuille fr4

Épaisseur commune: 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, l'erreur d'épaisseur de la plaque doit être déterminée en fonction de la capacité de production de l'usine de plaques fr4.

Fr4 Épaisseur de cuivre commune pour les plaques de cuivre recouvertes: 0,5 OZ, 1 OZ, 2 oz et d'autres épaisseurs de cuivre sont également disponibles et nécessitent une consultation avec IPCB pour déterminer.

La dispersion chromatique est un effet optique important qui est également important dans les PCB haute vitesse et les PCB haute fréquence. Dans un PCB, différents signaux se propagent à différentes vitesses dans les traces.

Comme tout autre matériau, la dispersion de fr4 affecte les impulsions et les ondes de déplacement dans les traces de PCB. Les principes physiques décrivant la dispersion sont bien connus et peuvent être utilisés pour développer des modèles analytiques du comportement des signaux dans les PCB.

Pour ceux qui ne se souviennent peut - être pas de leurs cours d'ingénierie ou de physique, la constante diélectrique (et donc l'indice de réfraction) dans un matériau est une fonction de la fréquence de propagation des ondes électromagnétiques. C'est pourquoi les prismes peuvent être utilisés pour séparer la lumière blanche en couleurs arc - en - ciel. De même, l'Absorbance des ondes électromagnétiques est également fonction de la fréquence des ondes électromagnétiques.

Cela aura de nombreux effets sur fr4 PCB. Ces effets sont particulièrement importants dans les applications PCB haute vitesse ou PCB haute fréquence. La variation de la constante diélectrique fr4 en fonction de la fréquence est appelée dispersion chromatique, ce qui provoque la propagation de différentes composantes fréquentielles dans les impulsions électriques dans les traces de PCB à des vitesses différentes. Dans le cas d'une dispersion chromatique positive (constante diélectrique croissante avec la fréquence), la composante haute fréquence atteint la charge plus tard que la composante basse fréquence, et inversement.

Les impulsions numériques ne sont en fait qu'une superposition d'ondes analogiques et l'effet de la dispersion chromatique sur chaque composante fréquentielle est légèrement différent. En termes de vitesse de propagation du signal, fr4 a exactement une dispersion chromatique négative, mais la mise en place d'un stratifié à dispersion chromatique positive sur le substrat permet de compenser la distorsion du signal et de réduire les pertes.

La majeure partie du spectre des impulsions numériques (environ 75%) est concentrée entre la fréquence de commutation et la fréquence du point d'inflexion. La fréquence du genou est environ un tiers de l'inverse du temps de montée du signal. Une approximation décente ne tient compte que de la dispersion chromatique à la fréquence de commutation, mais cette approximation ne s'applique qu'aux Dispersions faibles et moyennes.

La tangente de l'angle de perte de fr4 varie également avec la fréquence jusqu'à ce qu'elle augmente rapidement à environ 100 kHz, puis augmente régulièrement jusqu'à environ 100 GHz. L'atténuation est donc plus importante à des fréquences plus élevées, mais l'étirement provoqué par les impulsions numériques n'est pas trop grave. À des fréquences et des débits de données inférieurs, l'étirement est plus important, ce qui affecte la tolérance de désadaptation de la longueur de la piste.

Par rapport aux signaux analogiques, les traces de PCB sur fr4 ont tendance à avoir des pertes plus élevées que d'autres matériaux de PCB spécialement conçus pour les applications de signaux analogiques dans la gamme GHz. Par conséquent, les plaques fr4 pour les applications haute vitesse / haute fréquence doivent inclure un stratifié haute vitesse pour réduire les pertes et compenser la dispersion négative inhérente à fr4. En outre, vous devez utiliser d'autres matériaux spécialement conçus pour les applications RF.

Considérant que la dispersion chromatique dans le modèle de circuit de ligne de transmission se fait sur une base unitaire de longueur. En d'autres termes, les paramètres importants de la ligne de transmission analogique sont la résistance série et l'Inductance série du conducteur, la conductivité parallèle du diélectrique et la capacité entre le conducteur et sa voie de retour. L'accent est mis ici sur la prise en compte des variations de la conductivité du shunt et de la constante diélectrique fr4 en fonction de la fréquence.

La conductivité du matériau fr4 est divisée en une composante statique et une composante liée à la fréquence, cette dernière étant directement proportionnelle aux pertes diélectriques et à la fréquence. Dans le même temps, la constante diélectrique fr4 est essentiellement fonction de la fréquence, due à l'excitation de charges superficielles ou d'oscillations dipolaires à des fréquences inférieures, ou à l'excitation de vibrations de réseau et de transitions électroniques à des fréquences élevées.

Lors de la construction d'un modèle de circuit pour fr4 PCB, la capacité totale et la Conductance parallèle doivent être déterminées à la fréquence du signal d'intérêt sur fr4. Lors de la modélisation du comportement du circuit, ces valeurs doivent être incluses dans le modèle du circuit tracé sur la carte fr4. Les calculs impliqués sont basiques, mais des erreurs numériques peuvent amener le modèle à produire des résultats qui ne correspondent pas à la réalité.

Bien sûr, vous pouvez utiliser des équations pour analyser les lignes de transmission de chaque partie de la carte, mais vous pouvez également utiliser un simulateur de circuit basé sur spice. Vous devez inclure les valeurs correctes de Conductance et de capacité de dérivation du substrat PCB fr4 à la fréquence qui vous intéresse.

De plus, comme vous avez déterminé la constante diélectrique fr4 à la fréquence pertinente, vous pouvez inclure la valeur correcte dans le solveur de champ 3D. Cela vous permet de vérifier les champs de rayonnement, ce qui peut entraîner des problèmes d'intégrité du signal dans l'ensemble de l'appareil ou dans une conception multiplaque.