Технология PCB - Производитель печатных плат объяснил, что такое диэлектрическая константа FR4

Плита FR4 представляет собой двухстороннюю медную пластину PCB, изготовленную из эпоксидной смолы + стеклянной ткани.Обычно используется медная пластина fr4, диэлектрическая константа fr4 относительно воздуха составляет 4.2-4.7.Диэлектрическая константа fr4 изменяется с температурой,при температуре 0-70 градусов максимальный диапазон изменений может достигать 20%.Изменение диэлектрической постоянной приведет к 10 процентному изменению задержки линии.Чем выше температура,тем больше задержка.Диэлектрическая константа также изменяется в зависимости от частоты сигнала.Чем выше частота,тем меньше диэлектрическая константа fr4.Обычно классическое значение диэлектрической константы fr4 составляет 4.4.Диэлектрическая постоянная изменяется с частотой,как показано на рисунке. диэлектрическая потеря

Диэлектрическая константа fr4 (Dk, ER) определяет скорость распространения электрических сигналов в среде. Скорость распространения электрического сигнала обратно пропорциональна квадратному корню диэлектрической константы. Чем ниже диэлектрическая постоянная, тем быстрее передается сигнал. Давайте проведем яркую аналогию, как если бы вы бегали по пляжу. Глубина воды затопила лодыжку. Вязкость воды - диэлектрическая константа. Чем больше вязкость воды, тем выше диэлектрическая константа и тем медленнее она работает.

Диэлектрические константы нелегко измерить или определить. Это связано не только с характеристиками среды, но и с методами тестирования, частотой испытаний и состоянием материала до и во время испытаний. Диэлектрическая постоянная также изменяется в зависимости от температуры. Некоторые специальные материалы учитывают температурный фактор при разработке. Влажность также является важным фактором, влияющим на диэлектрическую константу, поскольку диэлектрическая константа воды составляет 70, и небольшое количество воды вызывает значительные изменения.

Диэлектрические потери на пластинах FR - 4: потеря энергии, создаваемая изоляционным материалом под действием электрического поля из - за гистерезисного эффекта диэлектрической проводимости и диэлектрической поляризации. Также известен как диэлектрическая потеря, сокращенно диэлектрическая потеря. Под действием переменного электрического поля угол комплементарности (угол коэффициента мощности) между фазой тока и фазой напряжения, протекающей в среде, называется углом потери среды. Диэлектрические потери в таблетках fr4 обычно составляют 0,02, а диэлектрическая потеря увеличиваются с увеличением частоты. 

Значение TG для таблеток fr4: также известное как температура преобразования стеклования, обычно составляет 130 градусов по Цельсию, 140 градусов по Цельсию, 150 градусов по Цельсию и 170 градусов по Цельсию.

Обычная толщина пластины fr4

Общая толщина: 0.3 мм, 0.4 мм, 0.5 мм, 0.6 мм, 0.8 мм, 1.0 мм, 1.2 мм, 1.5 мм, 1.6 мм, 1.8 мм, 2.0 мм, погрешность толщины листов, конечно, должна основываться на производственных мощностях завода по производству листов fr4.

Обычная толщина меди, покрытая медным слоем f4: 0.5 унции, 1 унция, 2 унции и другие толщины меди также доступны, необходимо проконсультироваться с ipcb, чтобы определить.

Дисперсия является важным оптическим эффектом, который также важен для высокоскоростных и высокочастотных PCB. В PCB различные сигналы распространяются с разной скоростью по маршруту следования.

Как и любой другой материал, дисперсия fr4 влияет на движущиеся импульсы и волны в треке PCB. Физические принципы, описывающие дисперсию, хорошо известны и могут быть использованы для разработки аналитических моделей поведения сигналов в печатных плат.

Для тех, кто может не помнить свои инженерные или физические курсы, диэлектрическая константа (и скорость преломления) в материале является функцией частоты распространения электромагнитных волн. Вот почему призма может быть использована для разделения белого света на радужные цвета.Аналогичным образом, скорость поглощения электромагнитных волн также является функцией частоты электромагнитных волн.

Это будет иметь много последствий для FR4 PCB. Эти эффекты особенно важны для высокоскоростных или высокочастотных приложений PCB. Диэлектрическая константа fr4, которая изменяется с частотой, называется дисперсией, которая приводит к тому, что различные частотные компоненты электрического импульса в линии следа PCB распространяются с разной скоростью. В случае ортохроматической дисперсии (диэлектрическая константа увеличивается с частотой) компоненты более высоких частот достигают нагрузки позже, чем компоненты более низких частот, и наоборот.

Цифровые импульсы на самом деле являются просто суперпозицией аналоговых волн, и влияние дисперсии на каждую частотную составляющую несколько отличается. FR4 имеет отрицательную дисперсию как раз по скорости распространения сигнала, но размещение ламината с ортохроматической дисперсией на подложке компенсирует искажение сигнала и снижает потери.

Большая часть спектра (около 75%) в цифровых импульсах сосредоточена между частотой переключателя и частотой точки перегиба. Частота перегиба составляет примерно треть от обратного времени сигнала. Подходящее приближение учитывает только дисперсию при частоте переключателя, но это приближение применимо только к низкой и средней дисперсии.

тангенс угла потерь fr4 также изменяется с частотой, пока он не увеличивается быстро примерно на 100 кГц, а затем стабильно увеличивается до примерно 100 ГГц. Поэтому при более высоких частотах затухание больше, но растяжение, вызванное цифровыми импульсами, не будет слишком серьезным. При более низких частотах и скоростях передачи данных растяжение имеет более важное значение, что влияет на допуск рассогласования длины линии.

По сравнению с аналоговыми сигналами, маршруты PCB на FR4, как правило, имеют более высокие потери, чем другие материалы PCB, предназначенные для аналоговых сигналов в диапазоне ГГц. Поэтому пластины fr4 для высокоскоростных / высокочастотных приложений должны включать высокоскоростные ламинарные пластины для уменьшения потерь и компенсации отрицательной дисперсии, присущей fr4. Кроме того, вы должны использовать другие материалы, специально предназначенные для радиочастотных приложений.

Учитывая, что дисперсия в схеме линии передачи выполняется на основе каждой единицы длины. Другими словами, важными параметрами моделирования линии передачи являются последовательное сопротивление и индуктивность последовательного соединения проводника, параллельная проводимость диэлектрика и емкость между проводником и его обратным путем. Здесь важно учитывать, что проводимость шунта и диэлектрическая константа fr4 изменяются с частотой.

Проводимость материала fr4 делится на статические компоненты и компоненты, связанные с частотой, которые пропорциональны диэлектрическим потерям и частоте. В то же время диэлектрическая константа fr4 по существу является функцией частоты, которая возникает из - за возбуждения поверхностного заряда или дипольных колебаний при низких частотах, или возбуждения колебаний решетки и электронных переходов при высоких частотах.

При построении схемы для FR4 PCB общая емкость и параллельная проводимость должны определяться на частоте сигнала, интересующего FR4. При моделировании поведения схемы эти значения должны быть включены в схемную модель линии следа на панели fr4. Расчеты, о которых идет речь, являются базовыми, но неправильные значения могут привести к тому, что модель даст результаты, которые не соответствуют реальной ситуации.

Конечно, вы можете использовать уравнения для анализа линий передачи в каждой части платы, но вы также можете использовать симулятор схемы на основе SPICE. Вы должны включить правильную шунтирующую проводимость и емкость фундамента fr4 PCB на интересующей вас частоте.

Кроме того, поскольку диэлектрическая константа fr4 при соответствующих частотах определена, правильное значение может быть включено в трехмерный полевой алгоритм. Это позволяет проверить радиационное поле, что может привести к проблемам с целостностью сигнала во всем устройстве или многопанельной конструкции. диэлектрическая потеря