PCB技術 - PCBメーカーはfr 4誘電率とは

FR−4プレートは、エポキシ樹脂+ガラスクロスからなる両面銅被覆PCBプレートである。通常、空気に対するfr 4の誘電率は4.2〜4.7であるfr 4銅被覆板が用いられる。fr 4誘電率は温度に応じて変化し、0〜70度の温度範囲内で、最大変化範囲は20%に達することができる。誘電率の変化は、線路遅延の10%の変化をもたらす。温度が高いほど、遅延が大きくなります。誘電率も信号周波数とともに変化する。周波数が高いほど、fr 4の誘電率は小さくなる。一般に、fr 4誘電率の古典的な値は4.4である。図に示すように、周波数に応じて誘電率が変化します。

fr 4誘電率

fr 4誘電率（Dk，Er）は、誘電体中を電気信号が伝播する速度を決定する。電気信号の伝播速度は誘電率の平方根に反比例する。誘電率が低いほど信号伝送速度が速くなる。ビーチを走るように生き生きとした類比をしてみましょう。水の深さがあなたの足首を水浸しにしました。水の粘度は誘電率である。水が粘稠であればあるほど、誘電率が高くなり、走るのが遅くなります。

誘電率は測定や定義が容易ではない。媒体の特性だけでなく、試験方法、試験周波数、試験前、試験中の材料状態にも関係しています。誘電率も温度によって変化する。いくつかの特殊な材料は開発過程で温度要素を考慮した。湿度も誘電率に影響を与える重要な要素の一つであり、水の誘電率は70であり、少ない水分が顕著な変化を引き起こすからである。

FR-4シート誘電損失：絶縁材料の電界作用下における誘電率と誘電分極のヒステリシス効果によるエネルギー損失。誘電損失とも呼ばれ、誘電損失と略称される。交流電界の作用下で、誘電体中を流れる電流相量と電圧相量の間の角度（力率角。fr 4板の誘電損失は一般的に0.02であり、誘電損失は周波数の増加に伴って増加する。FR-4は損失係数（Df）によって、一般損失板：Df 226¥0.02中損失板：0.01ΩDf＜0.02低損失板：0.005ΩDf＜0.01超低損失板

fr 4シートのTG値：ガラス転移温度とも呼ばれ、一般に130℃、140℃、150℃、170℃である。

fr 4板材の通常の厚さ

常用厚さ：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、板材の厚さ誤差はfr 4板材工場の生産能力に基づいて確定する必要がある。

fr 4銅被覆板の一般的な銅の厚さ：0.5オンス、1オンス、2オンス、その他の銅の厚さも利用可能であり、ipcbに問い合わせて確定する必要がある。

分散は重要な光学効果であり、高速PCBと高周波PCBにおいても重要である。PCBでは、異なる信号がトレース内を異なる速度で伝播する。

他の材料と同様に、fr 4の分散はPCBトレース中の進行パルスと波に影響を与える。分散を記述する物理的原理はよく知られており、PCBにおける信号挙動の解析モデルを開発するために使用することができる。

彼らの工学や物理の授業を覚えていないかもしれない人にとって、材料中の誘電率（および屈折率）は電磁波伝播周波数の関数である。これは、プリズムが白色光を虹色に分離するために使用できる理由です。同様に、電磁波の吸収率も電磁波周波数の関数である。

これはfr 4 PCBに多くの影響を与える。これらの効果は高速PCBまたは高周波PCB応用において特に重要である。周波数によるfr 4誘電率の変化を分散と呼び、PCBトレース中の電気パルス中の異なる周波数成分が異なる速度で伝播することになる。正分散（周波数とともに誘電率が増加する）の場合、高周波成分は低周波成分よりも遅く負荷に到達し、逆もまた然りである。

デジタルパルスは実際にはアナログ波の重畳にすぎず、分散が周波数成分ごとに与える影響はわずかに異なる。信号伝播速度については、fr 4はちょうど負の分散を持っているが、基板上に正の分散を持つ積層板を置くことで信号歪みを補償し、損失を低減することができる。

デジタルパルス中のスペクトルの大部分（約75%）はスイッチング周波数と変曲点周波数の間に集中している。膝の周波数は信号の立ち上がり時間の逆数の約3分の1である。まともな近似はスイッチング周波数での分散のみを考慮しているが、この近似は低分散と中分散にしか適していない。

fr 4の損失正接も、約100 KHzで急速に増加し、その後、約100 GHzに安定的に増加するまで周波数とともに変化する。そのため、減衰はより高い周波数では大きくなるが、デジタルパルスによる引張はそれほど深刻ではない。低い周波数とデータレートでは、引張はより重要であり、これはトレース長の不整合許容範囲に影響を与えます。

fr 4上のPCBトレースは、アナログ信号に比べてGHz範囲のアナログ信号用途に特化した他のPCB材料よりも高い損失を有することが多い。したがって、高速/高周波応用のためのfr 4板は、損失を低減し、fr 4固有の負分散を補償するために、高速積層板を含むべきである。また、無線周波数用途に特化した他の材料を使用する必要があります。

伝送路回路モデルにおける分散は単位長さに基づいて行われることを考慮した。言い換えれば、アナログ伝送路の重要なパラメータは、導体の直列抵抗と直列インダクタンス、誘電体の並列コンダクタンス、および導体とそのリターン経路との間の容量である。ここで重要なのは、周波数による分流器伝導率とfr 4誘電率の変化を考慮することです。

fr 4材料の導電率は静止成分と周波数相関成分に分けられ、後者は誘電損失と周波数に比例する。同時に、fr 4誘電率は本質的に周波数の関数であり、これは比較的低い周波数で表面電荷または双極子振動を励起したり、高周波で格子振動と電子遷移を励起したりするためである。

fr 4 PCBの回路モデルを構築するには、fr 4上の関心信号の周波数で総容量と並列コンダクタンスを決定しなければならない。回路挙動をモデル化する場合、これらの値はfr 4ボード上のトレースの回路モデルに含まれている必要があります。関連する計算は基本的ですが、数値エラーはモデルが実際の状況に合わない結果を生む可能性があります。

もちろん、方程式を使用して基板の各部分の伝送路を分析することもできますが、SPICEベースの回路シミュレータを使用することもできます。興味のある周波数におけるfr 4 PCB基板の正しいシャントコンダクタンスと容量値を含める必要があります。

また、関連周波数におけるfr 4誘電率を決定しているので、3 Dフィールドソルバに正しい値を含めることができます。これにより、放射線場を検査することができます。これにより、デバイス全体またはマルチボード設計における信号整合性の問題が発生する可能性があります。