PCB科技 - PCB製造商解釋什麼是fr4介電常數

FR-4片材是一種雙面鍍銅PCB片材，由環氧樹脂+玻璃布製成。 通常使用fr4覆銅板，fr4相對於空氣的介電常數為4.2-4.7。 fr4介電常數隨溫度變化，在0-70度的溫度範圍內，最大變化範圍可達20%。 介電常數的變化將導致線路延遲發生10%的變化。 溫度越高，延遲越大。 介電常數也隨著訊號頻率的變化而變化。 頻率越高，fr4介電常數就越小。 通常，fr4介電常數的經典值為4.4。 介電常數隨頻率變化，如圖所示。

fr4介電常數

fr4介電常數（Dk，Er）决定了電信號在介質中傳播的速度。 電信號的傳播速度與介電常數的平方根成反比。 介電常數越低，訊號傳送速率就越快。 讓我們做一個生動的類比，就像你在海灘上跑步一樣。 水深淹沒了你的脚踝。 水的粘度是介電常數。 水的粘性越大，介電常數就越高，運行速度就越慢。

介電常數不是很容易量測或定義的。 它不僅與介質的特性有關，還與測試方法、測試頻率以及測試前和測試過程中的資料狀態有關。 介電常數也隨溫度而變化。 一些特殊資料在開發過程中考慮了溫度因素。 濕度也是影響介電常數的一個重要因素，因為水的介電常數為70，很少的水分會引起顯著的變化。

FR-4片狀介電損耗：由於介電電導率和介電極化的磁滯效應，絕緣材料在電場作用下產生的能量損耗。 也稱為介電損耗，簡稱介電損耗。 在交變電場的作用下，介質中流動的電流相量和電壓相量之間的夾角（功率因數角）的互補角稱為介質損耗角。 fr4片的介電損耗通常為0.02，介電損耗會隨著頻率的新增而新增。

fr4片的TG值：也稱為玻璃化轉變溫度，一般為130攝氏度、140攝氏度、150攝氏度、170攝氏度。

fr4薄板的常規厚度

常用厚度：0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm，板材的厚度誤差當然需要根據fr4板材廠的生產能力。

fr4覆銅層壓板的常見銅厚度：0.5盎司、1盎司、2盎司和其他銅厚度也可用，需要諮詢ipcb確定。

色散是一種重要的光學效應，在高速PCB和高頻PCB中也很重要。 在PCB中，不同的訊號在跡線中以不同的速度傳播。

與任何其他資料一樣，fr4的色散會影響PCB跡線中的行進脈衝和波。 描述色散的物理原理是眾所周知的，可以用來開發PCB中訊號行為的分析模型。

對於那些可能不記得自己的工程或物理課程的人來說，資料中的介電常數（以及折射率）是電磁波傳播頻率的函數。 這就是為什麼棱鏡可以用來將白光分離成彩虹色的原因。 類似地，電磁波的吸收率也是電磁波頻率的函數。

這將對fr4 PCB產生許多影響。 這些效應在高速PCB或高頻PCB應用中尤其重要。 fr4介電常數隨頻率的變化被稱為色散，它導致PCB跡線中電脈衝中的不同頻率分量以不同的速度傳播。 在正色散的情况下（介電常數隨頻率新增），較高頻率的分量比較低頻率的分量更晚到達負載，反之亦然。

數位脈衝實際上只是類比波的疊加，色散對每個頻率分量的影響略有不同。 fr4恰好在訊號傳播速度方面具有負色散，但在襯底上放置具有正色散的層壓板可以補償訊號失真並降低損耗。

數位脈衝中的大部分頻譜（約75%）集中在開關頻率和拐點頻率之間。 拐點頻率大約是訊號上升時間倒數的三分之一。 適當的近似只考慮開關頻率下的色散，但這種近似只適用於低色散和中等色散。

fr4的損耗角正切也隨頻率變化，直到它在大約100KHz處快速新增，然後穩定地新增，直到大約100GHz。 囙此，在更高的頻率下衰减更大，但由數位脈衝引起的拉伸不會太嚴重。 在較低的頻率和資料速率下，拉伸更為重要，這會影響跡線長度的失配容限。

與類比信號相比，fr4上的PCB跡線往往比專門用於GHz範圍內類比信號應用的其他PCB資料具有更高的損耗。 囙此，用於高速/高頻應用的fr4板應包括高速層壓板，以减少損耗並補償fr4固有的負色散。 此外，您應該使用其他專門用於射頻應用的資料。

考慮到傳輸線的電路模型中的色散是在每組織長度的基礎上完成的。 換句話說，對傳輸線建模的重要參數是導體的串聯電阻和串聯電感、電介質的並聯電導以及導體與其返回路徑之間的電容。 這裡的重要一點是要考慮分流器電導率和fr4介電常數隨頻率的變化。

fr4資料的電導率分為靜態分量和頻率相關分量，後者與介電損耗和頻率成正比。 同時，fr4介電常數本質上是頻率的函數，這是由於表面電荷的激發或低頻下的偶極振盪，或晶格振動和高頻下的電子躍遷的激發。

在為fr4 PCB建立電路模型方面，總電容和並聯電導必須在fr4上感興趣的訊號的頻率下確定。 在對電路行為建模時，這些值必須包含在fr4板上跡線的電路模型中。 所涉及的計算是基本的，但錯誤的值可能會導致模型產生與實際情況不匹配的結果。

當然，您可以使用方程來分析電路板每個部分的傳輸線，但也可以使用基於SPICE的電路模擬器。 您需要包括您感興趣的頻率下fr4 PCB基板的正確分流電導和電容值。

此外，由於已經確定了相關頻率下的fr4介電常數，囙此可以在三維場解算器中包含正確的值。 這使您能够檢查輻射場，這可能會導致整個設備或多板設計中的信號完整性問題。