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

La plaque fr - 4 est une plaque PCB plaquée cuivre 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. Typiquement, 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 métaphore 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 la vitesse de fonctionnement est lente.

Les constantes diélectriques ne sont pas faciles à mesurer ou à définir. Elle concerne non seulement les caractéristiques du milieu, mais aussi les méthodes d'essai, la fréquence des essais et l'état des matériaux avant et pendant les essais. La constante diélectrique varie également avec la température. Certains matériaux spéciaux sont 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 en milieu lamellaire: pertes d'énergie générées par un matériau isolant sous l'effet d'un champ électrique en raison de l'effet hystérésis de la conductivité du milieu et de la polarisation du milieu. Également appelées pertes diélectriques, les pertes diélectriques sont abrégées. L'angle complémentaire de l'angle (angle de facteur de puissance) entre la quantité de phase courante et la quantité de phase de tension circulant dans le milieu sous l'effet du champ électrique alternatif est appelé angle de perte du milieu. Les pertes diélectriques de la tranche fr4 sont typiquement de 0,02, les pertes diélectriques augmentant avec la fréquence.

Valeur TG de la Feuille fr4: également appelée température de transition vitreuse, généralement 130 ° C, 140 ° C, 150 ° C, 170 ° c.

Épaisseur conventionnelle de la plaque 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 bien sûr être basée sur la capacité de production de l'usine de plaques fr4.

Fr4 Épaisseur de cuivre commune pour les stratifiés revêtus de cuivre: 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 chromatique de fr4 affecte les impulsions de déplacement et les ondes 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 d'une onde électromagnétique est également fonction de la fréquence de l'onde électromagnétique.

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 et 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 (la constante diélectrique augmente avec la fréquence), les composantes de fréquence supérieure atteignent la charge plus tard que les composantes de fréquence inférieure et vice versa.

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. Fr4 se trouve avoir une dispersion chromatique négative en termes de vitesse de propagation du signal, mais placer un stratifié avec une dispersion chromatique positive sur le substrat peut compenser la distorsion du signal et 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 point d'inflexion est d'environ un tiers de l'inverse du temps de montée du signal. Une approximation appropriée 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 spécifiquement conçus pour les applications RF.

Considérant que la dispersion chromatique dans le modèle de circuit de la ligne de transmission se fait par unité de longueur. En d'autres termes, les paramètres importants de la modélisation de la ligne de transmission sont la résistance série et l'Inductance série du conducteur, la Conductance parallèle du diélectrique et la capacité entre le conducteur et sa voie de retour. Il est important ici de tenir compte de la variation 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 des charges de surface ou à l'oscillation dipolaire à basse fréquence, ou à l'excitation des vibrations du réseau et des transitions électroniques à haute fréquence.

En ce qui concerne le modèle de circuit pour construire un PCB fr4, 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 valeurs erronées 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, la constante diélectrique fr4 à la fréquence considérée ayant été déterminée, il est possible d'inclure la valeur correcte dans le solveur de champ tridimensionnel. 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.