PCB Tecnico - Il produttore di PCB spiega cos'è la costante dielettrica fr4

Lo strato FR-4 è un foglio PCB rivestito di rame a due lati realizzato in resina epossidica + panno di vetro. Il foglio rivestito di rame fr4 è comunemente usato e la costante dielettrica fr4 relativa all'aria è 4.2-4.7. La costante dielettrica fr4 cambia con la temperatura e la gamma massima di cambiamento può raggiungere il 20% nell'intervallo di temperatura di 0-70 gradi. Il cambiamento della costante dielettrica causerà un cambiamento del 10% nel ritardo della linea. Maggiore è la temperatura, maggiore è il ritardo. La costante dielettrica cambia anche con la frequenza del segnale. Maggiore è la frequenza, minore è la costante dielettrica fr4. In generale, il valore classico della costante dielettrica fr4 è 4.4. La costante dielettrica cambia con frequenza come mostrato in figura.

fr4 costante dielettrica

La costante dielettrica fr4 (Dk, Er) determina la velocità alla quale il segnale elettrico si propaga nel mezzo. La velocità di propagazione del segnale elettrico è inversamente proporzionale alla radice quadrata della costante dielettrica. Più bassa è la costante dielettrica, più veloce è la velocità di trasmissione del segnale. Facciamo una vivida analogia, proprio come stai correndo sulla spiaggia. La profondità dell'acqua inonda le caviglie. La viscosità dell'acqua è la costante dielettrica. Più viscosa è l'acqua, maggiore è la costante dielettrica e più lento si corre.

La costante dielettrica non è molto facile da misurare o definire. Non è solo correlato alle caratteristiche del mezzo, ma anche al metodo di prova, alla frequenza di prova e allo stato del materiale prima e durante la prova. La costante dielettrica cambia anche con la temperatura. Alcuni materiali speciali tengono conto del fattore di temperatura nello sviluppo. L'umidità è anche un fattore importante che influisce sulla costante dielettrica, perché la costante dielettrica dell'acqua è 70 e pochissima umidità causerà cambiamenti significativi.

Perdita dielettrica dello strato FR-4: la perdita di energia causata dal materiale isolante sotto l'azione di un campo elettrico a causa dell'effetto isteresi della conducibilità dielettrica e della polarizzazione dielettrica. Chiamata anche perdita dielettrica, chiamata perdita dielettrica. Sotto l'azione di un campo elettrico alternato, l'angolo complementare δ dell'angolo incluso (angolo fattore di potenza Φ) tra il phasor corrente e il phasor di tensione fluente nel dielettrico è chiamato angolo di perdita dielettrica. La perdita dielettrica del foglio fr4 è generalmente 0,02 e la perdita dielettrica aumenterà con l'aumento della frequenza.

Valore TG dello strato fr4: chiamato anche temperatura di transizione del vetro, generalmente 130 gradi Celsius, 140 gradi Celsius, 150 gradi Celsius, 170 gradi Celsius.

Spessore convenzionale del foglio fr4

Spessori comunemente usati: 0.3mm, 0.4mm, 0.5mm, 0.6mm, 0.8mm, 1.0mm, 1.2mm, 1.5mm, 1.6mm, 1.8mm, 2.0mm, l'errore di spessore della piastra deve essere basato sulla capacità di produzione della fabbrica di piastre fr4 Certamente.

Spessori comuni di rame per laminati rivestiti di rame fr4: 0,5 once, 1 once, 2 once e altri spessori di rame sono disponibili anche, che devono essere determinati consultando ipcb.

La dispersione, un importante effetto ottico, è importante anche nel PCB ad alta velocità e nel PCB ad alta frequenza. Nel PCB, segnali diversi si propagano a velocità diverse nella traccia.

Come qualsiasi altro materiale, la dispersione di fr4 influenza gli impulsi e le onde viaggianti nella traccia PCB. I principi fisici che descrivono la dispersione sono ben noti e possono essere utilizzati per sviluppare modelli analitici di comportamento del segnale nei PCB.

Per coloro che potrebbero non ricordare le loro classi di ingegneria o fisica, la costante dielettrica (e quindi l'indice di rifrazione) in un materiale è una funzione della frequenza di propagazione delle onde elettromagnetiche. Questo è il motivo per cui un prisma può essere utilizzato per separare la luce bianca in colori arcobaleno. Allo stesso modo, il tasso di assorbimento delle onde elettromagnetiche è anche una funzione della frequenza delle onde elettromagnetiche.

Questo avrà molti effetti sul PCB fr4. Questi effetti sono particolarmente importanti nelle applicazioni PCB ad alta velocità o PCB ad alta frequenza. Il cambiamento della costante dielettrica fr4 con frequenza è chiamato dispersione, che provoca la propagazione di componenti di frequenza differenti nell'impulso elettrico nella traccia PCB a velocità diverse. In caso di dispersione positiva (la costante dielettrica aumenta con la frequenza), i componenti di frequenza superiore raggiungono il carico più tardi dei componenti di frequenza inferiore e viceversa.

L'impulso digitale è in realtà solo una sovrapposizione di onde analogiche, e l'influenza della dispersione su ogni componente di frequenza è leggermente diversa. fr4 ha dispersione negativa in termini di velocità di propagazione del segnale, ma posizionare un laminato con dispersione positiva sul substrato può compensare la distorsione del segnale e ridurre la perdita.

La maggior parte dello spettro di frequenza (circa il 75%) nell'impulso digitale è concentrato tra la frequenza di commutazione e la frequenza del ginocchio. La frequenza del ginocchio è circa un terzo del tempo di aumento reciproco del segnale. Un'approssimazione decente considera solo la dispersione alla frequenza di commutazione, ma questa approssimazione è adatta solo a bassa e media dispersione.

Anche la tangente di perdita di fr4 cambia con frequenza fino a che aumenta rapidamente a circa 100 KHz, e poi aumenta costantemente fino a circa 100 GHz. Pertanto, l'attenuazione è maggiore alle frequenze più elevate, ma l'allungamento causato dall'impulso digitale non è troppo grave. A frequenze e velocità di dati inferiori, lo stretching è più importante, che influisce sulla tolleranza di disallineamento della lunghezza della traccia.

Rispetto ai segnali analogici, le tracce PCB su fr4 tendono ad avere perdite più elevate rispetto ad altri materiali PCB specificamente utilizzati per applicazioni di segnale analogico nella gamma GHz. Pertanto, le schede fr4 per applicazioni ad alta velocità/alta frequenza dovrebbero includere laminati ad alta velocità per ridurre le perdite e compensare la dispersione negativa intrinseca di fr4. Inoltre, è necessario utilizzare altri materiali specificamente per le applicazioni RF.

Considerando che la dispersione nel modello di circuito della linea di trasmissione è completata per unità di lunghezza. In altre parole, i parametri importanti per la modellazione di una linea di trasmissione sono la resistenza di serie e l'induttanza di serie del conduttore, la conduttanza parallela del dielettrico e la capacità tra il conduttore e il suo percorso di ritorno. Il punto importante qui è considerare i cambiamenti nella conducibilità dello shunt e costante dielettrica fr4 con frequenza.

La conducibilità del materiale fr4 è divisa in componente statica e componente dipendente dalla frequenza, quest'ultimo dei quali è proporzionale alla perdita dielettrica e alla frequenza. Allo stesso tempo, la costante dielettrica fr4 è intrinsecamente una funzione della frequenza, che è dovuta all'eccitazione di cariche superficiali o oscillazioni dipoli a frequenze inferiori, o all'eccitazione di vibrazioni reticolari e transizioni elettroniche ad alte frequenze.

In termini di costruzione di un modello di circuito per il PCB fr4, la capacità totale e la conduttanza parallela devono essere determinate alla frequenza del segnale di interesse su fr4. Durante la modellazione del comportamento del circuito, questi valori devono essere inclusi nel modello del circuito delle tracce sulla scheda fr4. I calcoli coinvolti sono di base, ma ottenere i valori sbagliati può causare il vostro modello a produrre risultati che non corrispondono alla situazione reale.

Naturalmente, è possibile utilizzare equazioni per analizzare le linee di trasmissione di ogni parte del circuito stampato, ma è anche possibile utilizzare un simulatore di circuito basato su SPICE. È necessario includere i valori corretti di conduttanza e capacità dello shunt per il substrato PCB fr4 alla frequenza che ti interessa.

Inoltre, poiché è stata determinata la costante dielettrica fr4 alla frequenza pertinente, è possibile includere il valore corretto nel risolutore di campo 3D. Ciò consente di controllare i campi di radiazione, che possono causare problemi di integrità del segnale nell'intero dispositivo o nella progettazione multi-scheda.