Thông tin PCB - FR4 Độ bền điện môi

Giá trị cường độ điện môi fr4 điển hình dao động từ 800v/mil đến 1500v/mil. Cường độ điện được xác định bằng cách đặt vật liệu PCB trong một xung điện áp cao ngắn với tần số nguồn AC tiêu chuẩn.

Vật liệu FR4 có độ bền điện môi cao, góp phần vào tính chất cách điện của nó. Tùy thuộc vào phương pháp dệt sợi thủy tinh, nhựa và độ dày, Fr4 có độ bền điện môi 45-70kV/mm, có nghĩa là nó cần một số biện pháp bảo vệ để giữ cho nó an toàn. Hệ số giãn nở nhiệt đề cập đến sự thay đổi về chiều dài của vật liệu dưới sự thay đổi nhiệt độ, thường được biểu thị bằng ppm/° C. Hằng số điện môi (Dk) của FR4 thay đổi trong khoảng từ 3,8 đến 4,8 MHz.

FR4 là một vật liệu ép epoxy gia cố bằng sợi thủy tinh thường được sử dụng với các tính chất điện và cơ học tuyệt vời. Trong lĩnh vực điện tử, hằng số điện môi của FR4 là một tham số hiệu suất quan trọng.

Hằng số điện môi của FR4 thường nằm trong khoảng từ 4 đến 6, đây là một phạm vi giá trị tương đối cao. Điều này làm cho FR4 đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế mạch điện tử. Đầu tiên, hằng số điện môi cao của FR4 cho phép nó cô lập hiệu quả các đường tín hiệu khác nhau trong mạch và tránh nhiễu giữa các tín hiệu. Thứ hai, hằng số điện môi cao cũng có thể làm tăng giá trị tụ điện của tụ điện và cải thiện hiệu suất của mạch.

Mối quan hệ giữa độ bền điện môi và hằng số điện môi

1. Khái niệm

a: Độ bền điện môi là thước đo khả năng chịu được áp suất cao của vật liệu mà không tạo ra sự cố điện môi. Các mẫu được đặt giữa các điện cực để tăng điện áp áp dụng thông qua một loạt các bước cho đến khi sự cố điện môi xảy ra để đo cường độ điện môi.

b: Hằng số điện môi được sử dụng để đo hiệu suất của chất cách điện trong việc lưu trữ năng lượng điện. Đó là tỷ lệ giữa điện dung giữa hai tấm kim loại sử dụng vật liệu cách điện làm phương tiện và điện dung giữa hai tấm kim loại giống hệt nhau sử dụng không khí làm phương tiện hoặc chân không. Hằng số điện môi cho biết mức độ phân cực của điện môi, tức là khả năng liên kết điện tích. Hằng số điện môi càng lớn, khả năng ràng buộc điện tích càng lớn.

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với hằng số điện môi

Nhiệt độ cũng có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của vật chất vì nó ảnh hưởng đến sự tương tác giữa các phân tử. Nói chung, khi nhiệt độ tăng, sự tương tác giữa các phân tử suy yếu, dẫn đến giảm phân cực và giảm hằng số điện môi. Tuy nhiên, do sự gia tăng chuyển động phân tử do nhiệt độ tăng, sự cố dễ xảy ra dưới tác động của điện trường bên ngoài và cường độ điện môi giảm tương ứng.

3. Thông tin liên lạc

Độ bền điện môi đề cập đến cường độ điện trường tối đa mà vật liệu có thể chịu được trong điện trường. Nếu cường độ điện trường vượt quá cường độ điện môi của vật liệu, vật liệu sẽ bị sốc điện. Hằng số điện môi càng lớn, vật liệu càng chống lại điện trường, điều này cũng có nghĩa là vật liệu có độ bền điện môi cao hơn.

Hằng số điện môi là một đại lượng vật lý mô tả khả năng đáp ứng của vật liệu với điện trường và phản ánh tốc độ truyền điện trường trong vật liệu. Hằng số điện môi càng cao, tốc độ truyền điện trường trong vật liệu càng chậm.

FR4 Mối quan hệ giữa hằng số điện môi và tần số

Hằng số điện môi của vật liệu FR4 giảm thấp ở tần số cao, thường từ 4,7 điển hình ở tần số tín hiệu trên 5 GHz xuống gần 4,0, một sự thay đổi rất quan trọng đối với thiết kế PCB. Sự thay đổi này, được gọi là phân tán, khiến tín hiệu với các thành phần tần số khác nhau di chuyển với tốc độ khác nhau thông qua liên kết PCB, cuối cùng có thể dẫn đến biến dạng tín hiệu.

Tốc độ truyền tín hiệu

Khi hằng số điện môi thay đổi theo tần số, tốc độ pha và tốc độ nhóm của tín hiệu bị ảnh hưởng. Tốc độ pha tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của hằng số điện môi, có nghĩa là việc giảm hằng số điện môi làm tăng tốc độ truyền tín hiệu. Tuy nhiên, khi tín hiệu đến đầu nhận, tốc độ truyền không nhất quán này có thể gây ra sự khác biệt pha giữa các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu, cuối cùng dẫn đến biến dạng và suy giảm tính toàn vẹn của tín hiệu.

Mất tín hiệu tăng

Ở tần số cao, yếu tố mất mát (Df) của vật liệu FR4 tăng lên đáng kể. Điều này có nghĩa là trong quá trình truyền tín hiệu, cường độ tín hiệu giảm dần do mất điện môi, điều này có thể dẫn đến biến dạng tín hiệu. Sự mất mát này đặc biệt đáng chú ý trong truyền tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao, vì tần số càng cao, tín hiệu càng suy giảm.

Tóm lại, sự thay đổi hằng số điện môi của vật liệu FR4 ở tần số cao có thể dẫn đến:

Biến dạng tín hiệu: Do tốc độ truyền không nhất quán của các thành phần tần số khác nhau, việc mở rộng độ trễ có thể được kích hoạt, dẫn đến biến dạng dạng sóng tín hiệu.

Suy giảm tín hiệu: Sự gia tăng các yếu tố mất mát có thể dẫn đến sự xuống cấp nhanh chóng của tín hiệu trong quá trình truyền dẫn, ảnh hưởng đến cường độ và độ tin cậy của tín hiệu.

Chiến lược lựa chọn vật liệu: Khi thiết kế mạch tần số cao, việc sử dụng các vật liệu có hằng số điện môi thấp và tổn thất thấp như gốm hoặc PTFE có thể cần được xem xét để duy trì tính toàn vẹn tín hiệu.

Cường độ điện môi FR4 là thước đo cường độ điện của vật liệu như một chất cách điện. Cường độ điện môi càng cao, chất lượng của nó như một chất cách điện càng tốt. Khi cường độ điện trường vượt quá cường độ điện môi của vật liệu, vật liệu có thể bị điện giật hoặc sự cố dẫn đến sự gia tăng đột ngột dòng điện và sự cố điện.