PCB技術 - PCBメーカーはfr 4誘電率とは

FR−4シートは、エポキシ樹脂+ガラスクロスからなる両面銅めっきPCBシートである。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。誘電率の変化により、回線遅延が10%変化する。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の変化に伴って変化する。周波数が高いほど、fr 4の誘電率は小さくなる。通常、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。水深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。水の粘性が大きいほど、誘電率が高くなり、運転速度が遅くなります。

誘電率は測定や定義が容易ではない。メディアの特性だけでなく、テスト方法、テスト頻度、テスト前とテスト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シート状誘電損失：誘電伝導率と誘電分極のヒステリシス効果により、絶縁材料が電界作用下で発生するエネルギー損失。誘電損失とも呼ばれ、誘電損失と略称される。交番電界の作用下で、媒体中に流れる電流相量と電圧相量との間の挟み角（力率角）の相補角を媒体損失角と呼ぶ。fr 4シートの誘電損失は通常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錠の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シートの通常の厚さ

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、板材の厚さ誤差はもちろんfr 4板材工場の生産能力による必要がある。

fr 4銅張積層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使用可能であり、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。

自分の工学や物理学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す。これが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ある。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誘電率の変化は分散と呼ばれ、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をもたらす。正分散の場合（周波数とともに誘電率が増加する）、より高い周波数の成分はより低い周波数の成分はより遅く負荷に到達し、その逆も同様である。

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。fr 4はちょうど信号伝搬速度に負の分散を持つが、基板上に正の分散を持つ積層板を置くことで信号歪を補償し、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。変曲点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。適切な近似はスイッチング周波数における分散のみを考慮するが、この近似は低分散と中分散にのみ適用される。

fr 4の損失正接も周波数とともに変化し、約100 KHzで急速に増加し、その後、約100 GHzまで安定して増加する。そのため、より高い周波数では減衰は大きくなるが、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。

伝送路を考慮した回路モデルにおける分散は、単位長さ当たりに行われる。言い換えれば、伝送路をモデル化するため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。ここで重要な点は、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ある。

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、これは表面電荷の励起または低周波での双極子振動、あるいは格子振動と高周波での電子遷移の励起によるものである。

fr 4 PCBのための回路モデルの確立において、総容量及び並列コンダクタンスは、fr 4上の関心のある信号の周波数で決定されなければならない。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、間違った値はモデルが実際と一致し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、相関周波数におけるfr 4誘電率が決定されているので、3次元電界ソルバに正しい値を含めることができる。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。