Công nghệ PCB - Các nhà sản xuất PCB giải thích hằng số điện môi fr4 là gì

FR-4 Sheet là một tấm PCB mạ đồng hai mặt được làm bằng nhựa epoxy+vải thủy tinh. Các tấm đồng fr4 thường được sử dụng, với hằng số điện môi của fr4 so với không khí là 4,2-4,7. Hằng số điện môi fr4 thay đổi theo nhiệt độ, phạm vi thay đổi tối đa có thể lên đến 20% trong phạm vi nhiệt độ 0-70 độ. Sự thay đổi trong hằng số điện môi sẽ dẫn đến sự thay đổi 10% độ trễ đường dây. Nhiệt độ càng cao, độ trễ càng lớn. Hằng số điện môi cũng thay đổi khi tần số tín hiệu thay đổi. Tần số càng cao, hằng số điện môi fr4 càng nhỏ. Thông thường, hằng số điện môi fr4 có giá trị cổ điển là 4,4. Hằng số điện môi thay đổi theo tần số như thể hiện trong hình.

hằng số điện môi fr4

Hằng số điện môi fr4 (Dk, Er) xác định tốc độ truyền tín hiệu điện trong môi trường. Tốc độ truyền của tín hiệu điện tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của hằng số điện môi. Hằng số điện môi càng thấp, tốc độ truyền tín hiệu càng nhanh. Hãy làm một phép tương tự sống động, giống như bạn đang chạy trên bãi biển. Độ sâu của nước làm ngập mắt cá chân của bạn. Độ nhớt của nước là hằng số điện môi. Độ nhớt của nước càng lớn, hằng số điện môi càng cao và hoạt động càng chậm.

Hằng số điện môi không dễ đo lường hoặc xác định. Nó không chỉ liên quan đến các đặc tính của phương tiện truyền thông mà còn liên quan đến phương pháp thử nghiệm, tần suất thử nghiệm và trạng thái của vật liệu trước và trong quá trình thử nghiệm. Hằng số điện môi cũng thay đổi theo nhiệt độ. Một số vật liệu đặc biệt đã tính đến các yếu tố nhiệt độ trong quá trình phát triển. Độ ẩm cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hằng số điện môi, vì nước có hằng số điện môi là 70 và rất ít độ ẩm có thể gây ra những thay đổi đáng kể.

FR-4 Flake mất điện môi: Mất năng lượng do vật liệu cách điện dưới tác động của điện trường do độ dẫn điện môi và hiệu ứng trễ từ của phân cực điện môi. Còn được gọi là tổn thất điện môi, viết tắt là tổn thất điện môi. Dưới tác động của điện trường xoay chiều, góc bổ sung của góc kẹp (góc hệ số công suất) giữa lượng pha hiện tại và pha điện áp chảy trong môi trường được gọi là góc mất phương tiện. Mất điện môi thường là 0,02 đối với viên fr4, và mất điện môi sẽ tăng theo tần số.

Giá trị TG của tấm fr4: còn được gọi là nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh, thường là 130 độ C, 140 độ C, 150 độ C, 170 độ C.

Độ dày thông thường của tấm fr4

Độ dày phổ biến: 0.3mm, 0.4mm, 0.5mm, 0.6mm, 0.8mm, 1.0mm, 1.2mm, 1.5mm, 1.6mm, 1.8mm, 2.0mm, lỗi độ dày của tấm tất nhiên cần theo năng lực sản xuất của nhà máy tấm fr4.

Độ dày đồng phổ biến của tấm ốp đồng fr4: 0,5 ounce, 1 ounce, 2 ounce và các độ dày đồng khác cũng có sẵn, cần tham khảo ý kiến ipcb để xác định.

Phân tán là một hiệu ứng quang học quan trọng và cũng quan trọng trong PCB tốc độ cao và PCB tần số cao. Trong PCB, các tín hiệu khác nhau đi với tốc độ khác nhau trong dấu vết.

Giống như bất kỳ vật liệu nào khác, sự phân tán fr4 ảnh hưởng đến các xung và sóng di chuyển trong dấu vết PCB. Các nguyên tắc vật lý mô tả sự phân tán được biết đến rộng rãi và có thể được sử dụng để phát triển các mô hình phân tích hành vi tín hiệu trong PCB.

Đối với những người có thể không nhớ các khóa học kỹ thuật hoặc vật lý của họ, hằng số điện môi (và chỉ số khúc xạ) trong vật liệu là một hàm của tần số truyền sóng điện từ. Đây là lý do tại sao lăng kính có thể được sử dụng để tách ánh sáng trắng thành màu cầu vồng. Tương tự, tỷ lệ hấp thụ của sóng điện từ cũng là một hàm của tần số sóng điện từ.

Điều này sẽ có nhiều tác động đến PCB fr4. Những hiệu ứng này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng PCB tốc độ cao hoặc PCB tần số cao. Sự thay đổi của hằng số điện môi fr4 theo tần số được gọi là phân tán, và nó làm cho các thành phần tần số khác nhau trong xung điện trong dấu vết PCB di chuyển với tốc độ khác nhau. Trong trường hợp phân tán bình thường (hằng số điện môi tăng theo tần số), các thành phần tần số cao hơn đến tải muộn hơn các thành phần tần số thấp hơn và ngược lại.

Các xung kỹ thuật số thực sự chỉ là sự chồng chất của sóng tương tự, với sự phân tán ảnh hưởng đến từng thành phần tần số hơi khác nhau. FR4 chỉ xảy ra với sự phân tán âm về tốc độ truyền tín hiệu, nhưng đặt một tấm laminate với sự phân tán bình thường trên nền có thể bù đắp cho sự biến dạng tín hiệu và giảm tổn thất.

Phần lớn phổ trong xung kỹ thuật số (khoảng 75%) tập trung giữa tần số chuyển đổi và tần số điểm uốn. Tần số điểm uốn khoảng một phần ba thời gian đếm ngược tín hiệu tăng lên. Sự xấp xỉ thích hợp chỉ xem xét sự phân tán ở tần số chuyển đổi, nhưng sự xấp xỉ này chỉ phù hợp với sự phân tán thấp và trung bình.

Góc mất của fr4 cũng thay đổi theo tần số cho đến khi nó tăng nhanh ở khoảng 100KHz và sau đó tăng đều đặn lên khoảng 100GHz. Do đó, sự phân rã lớn hơn ở tần số cao hơn, nhưng kéo dài do xung kỹ thuật số không quá nghiêm trọng. Ở tần số thấp hơn và tốc độ dữ liệu, kéo dài là quan trọng hơn, ảnh hưởng đến giới hạn không phù hợp của chiều dài dấu vết.

Dấu vết PCB trên fr4 có xu hướng mất nhiều hơn so với tín hiệu analog so với các vật liệu PCB khác được sử dụng đặc biệt cho các ứng dụng tín hiệu analog trong dải GHz. Do đó, các tấm fr4 cho các ứng dụng tốc độ cao/tần số cao nên bao gồm các tấm laminate tốc độ cao để giảm tổn thất và bù đắp cho sự phân tán âm vốn có của fr4. Ngoài ra, bạn nên sử dụng các vật liệu khác dành riêng cho các ứng dụng RF.

Xem xét rằng sự phân tán trong mô hình mạch của đường truyền được thực hiện trên cơ sở mỗi đơn vị chiều dài. Nói cách khác, các thông số quan trọng để mô hình hóa đường truyền là điện trở nối tiếp và điện cảm nối tiếp của dây dẫn, độ dẫn song song của điện môi và điện dung giữa dây dẫn và đường dẫn trở lại của nó. Điều quan trọng ở đây là xem xét sự thay đổi độ dẫn của bộ chia và hằng số điện môi fr4 theo tần số.

Độ dẫn của vật liệu fr4 được chia thành các thành phần tĩnh và các thành phần liên quan đến tần số, tỷ lệ thuận với tổn thất điện môi và tần số. Trong khi đó, hằng số điện môi fr4 về cơ bản là một hàm của tần số, do sự kích thích của điện tích bề mặt hoặc dao động lưỡng cực ở tần số thấp, hoặc kích thích của rung lưới và chuyển đổi electron ở tần số cao.

Khi thiết lập mô hình mạch cho PCB fr4, tổng điện dung và độ dẫn song song phải được xác định ở tần số của tín hiệu quan tâm trên FR4. Khi mô hình hóa hành vi của mạch, các giá trị này phải được bao gồm trong mô hình mạch được đánh dấu trên bảng fr4. Các tính toán liên quan là cơ bản, nhưng các giá trị sai có thể khiến mô hình tạo ra kết quả không phù hợp với thực tế.

Tất nhiên, bạn có thể sử dụng các phương trình để phân tích đường truyền của mỗi phần của bảng, nhưng bạn cũng có thể sử dụng mô phỏng mạch dựa trên SPICE. Bạn cần bao gồm độ dẫn chuyển hướng chính xác và giá trị điện dung cho chất nền PCB fr4 ở tần số mà bạn quan tâm.

Ngoài ra, vì hằng số điện môi fr4 ở tần số liên quan đã được xác định, giá trị chính xác có thể được bao gồm trong bộ giải trường ba chiều. Điều này cho phép bạn kiểm tra trường bức xạ, có thể gây ra các vấn đề về tính toàn vẹn của tín hiệu trong toàn bộ thiết bị hoặc thiết kế nhiều tấm.