PCB-Technologie - Leiterplattenhersteller erklären, was fr4 dielektrische Konstante ist

FR-4 Blatt ist eine doppelseitige kupferplattierte PCB Platte aus Epoxidharz und Glasgewebe. Das kupferbeschichtete fr4-Blatt wird häufig verwendet, und die dielektrische Konstante fr4 relativ zur Luft ist 4.2-4.7. Die dielektrische Konstante von fr4 ändert sich mit der Temperatur, und der maximale Änderungsbereich kann 20% im Temperaturbereich von 0-70 Grad erreichen. Die Änderung der dielektrischen Konstante führt zu einer 10% Änderung der Leitungsverzögerung. Je höher die Temperatur, desto größer die Verzögerung. Die dielektrische Konstante ändert sich auch mit der Signalfrequenz. Je höher die Frequenz, desto kleiner ist die dielektrische Konstante fr4. Im Allgemeinen ist der klassische Wert der dielektrischen Konstante fr4 4.4. Die dielektrische Konstante ändert sich mit der Frequenz, wie in der Abbildung gezeigt.

fr4 Dielektrizitätskonstante

Die dielektrische Konstante fr4 (Dk, Er) bestimmt die Geschwindigkeit, mit der sich das elektrische Signal im Medium ausbreitet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektrischen Signals ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der dielektrischen Konstante. Je niedriger die Dielektrizitätskonstante, desto schneller ist die Signalübertragungsgeschwindigkeit. Machen wir eine anschauliche Analogie, so wie Sie am Strand laufen. Die Tiefe des Wassers überflutet deine Knöchel. Die Viskosität des Wassers ist die dielektrische Konstante. Je zähflüssiger das Wasser, desto höher die dielektrische Konstante und desto langsamer läuft man.

Die Dielektrizitätskonstante ist nicht sehr einfach zu messen oder zu definieren. Es bezieht sich nicht nur auf die Eigenschaften des Mediums, sondern auch auf das Prüfverfahren, die Prüffrequenz und den Materialzustand vor und während des Tests. Auch die dielektrische Konstante ändert sich mit der Temperatur. Einige spezielle Materialien berücksichtigen den Temperaturfaktor bei der Entwicklung. Feuchtigkeit ist auch ein wichtiger Faktor, der die dielektrische Konstante beeinflusst, da die dielektrische Konstante von Wasser 70 beträgt und sehr wenig Feuchtigkeit signifikante Veränderungen verursacht.

FR-4 Plattendielektrizitätsverlust: der Energieverlust, der durch das Isoliermaterial unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes aufgrund der Hysteresewirkung der dielektrischen Leitfähigkeit und dielektrischen Polarisation verursacht wird. Auch als dielektrischer Verlust bezeichnet, bezeichnet als dielektrischer Verlust. Unter Einwirkung eines elektrischen Wechselfeldes wird der Komplementärwinkel δ des eingeschlossenen Winkels (Leistungsfaktorwinkel Φ) zwischen dem Stromphasor und dem im Dielektrikum fließenden Spannungsphasor als dielektrischer Verlustwinkel bezeichnet. Der dielektrische Verlust von fr4 Blatt ist im Allgemeinen 0.02, und der dielektrische Verlust nimmt mit der Zunahme der Frequenz zu.

TG-Wert des Blattes fr4: auch Glasübergangstemperatur genannt, im Allgemeinen 130 Grad Celsius, 140 Grad Celsius, 150 Grad Celsius, 170 Grad Celsius.

Herkömmliche Dicke von Fr4-Platten

Häufig verwendete Stärken: 0.3mm, 0.4mm, 0.5mm, 0.6mm, 0.8mm, 1.0mm, 1.2mm, 1.5mm, 1.6mm, 1.8mm, 2.0mm, der Dickenfehler der Platte muss auf der Produktionskapazität der fr4 Plattenfabrik sicherlich basieren.

Gemeinsame Kupferdicken für kupferplattierte fr4 Laminate: 0,5 Unzen, 1 Unzen, 2 Unzen und andere Kupferdicken sind ebenfalls verfügbar, die nach Rücksprache mit ipcb ermittelt werden müssen.

Dispersion, ein wichtiger optischer Effekt, ist auch bei Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten und Hochfrequenz-Leiterplatten wichtig. In der Leiterplatte breiten sich verschiedene Signale mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in der Leiterbahn aus.

Wie jedes andere Material beeinflusst die Dispersion von fr4 die Wanderimpulse und Wellen in der Leiterplattenspur. Die physikalischen Prinzipien der Dispersion sind bekannt und können zur Entwicklung analytischer Modelle des Signalverhaltens in Leiterplatten verwendet werden.

Für diejenigen, die sich vielleicht nicht an ihre Ingenieur- oder Physik-Klassen erinnern, ist die dielektrische Konstante (und damit der Brechungsindex) in einem Material eine Funktion der Frequenz der elektromagnetischen Wellenausbreitung. Aus diesem Grund kann ein Prisma verwendet werden, um weißes Licht in Regenbogenfarben zu trennen. Ebenso ist die Absorptionsrate elektromagnetischer Wellen auch eine Funktion der elektromagnetischen Wellenfrequenz.

Dies wird viele Auswirkungen auf die fr4 PCB haben. Diese Effekte sind besonders wichtig bei Hochgeschwindigkeits-PCB- oder Hochfrequenz-PCB-Anwendungen. Die Änderung der dielektrischen Konstante fr4 mit Frequenz wird Dispersion genannt, die bewirkt, dass sich verschiedene Frequenzkomponenten im elektrischen Impuls in der Leiterplattenspur mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. Bei positiver Dispersion (die Dielektrizitätskonstante steigt mit der Frequenz) erreichen die höherfrequenten Komponenten die Last später als die niederfrequenten Komponenten und umgekehrt.

Der digitale Impuls ist eigentlich nur eine Überlagerung analoger Wellen, und der Einfluss der Streuung auf jede Frequenzkomponente ist etwas anders. fr4 weist in Bezug auf die Signalausbreitungsgeschwindigkeit eine negative Dispersion auf, aber wenn ein Laminat mit positiver Dispersion auf das Substrat gelegt wird, kann dies Signalverzerrungen kompensieren und Verluste reduzieren.

Der größte Teil des Frequenzspektrums (ca. 75%) im Digitalpuls konzentriert sich zwischen Schaltfrequenz und Kniefrequenz. Die Kniefrequenz beträgt etwa ein Drittel der Gegenseitigkeit der Signalanstiegszeit. Eine vernünftige Näherung berücksichtigt nur die Dispersion bei der Schaltfrequenz, aber diese Näherung ist nur für niedrige und mittlere Dispersion geeignet.

Die Verlusttangente von fr4 ändert sich auch mit der Frequenz, bis sie mit etwa 100 KHz schnell zunimmt und dann stetig bis etwa 100 GHz ansteigt. Daher ist die Dämpfung bei höheren Frequenzen größer, aber die Dehnung durch den digitalen Impuls ist nicht zu stark. Bei niedrigeren Frequenzen und Datenraten ist das Dehnen wichtiger, was die Missübereinstimmungstoleranz der Spurlänge beeinflusst.

Im Vergleich zu analogen Signalen weisen PCB-Leiterbahnen auf fr4 tendenziell höhere Verluste auf als andere PCB-Materialien, die speziell für analoge Signalanwendungen im GHz-Bereich verwendet werden. Daher sollten fr4-Platten für Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzanwendungen Hochgeschwindigkeits-Laminate enthalten, um Verluste zu reduzieren und die inhärente negative Streuung von fr4 auszugleichen. Darüber hinaus sollten Sie andere Materialien speziell für HF-Anwendungen verwenden.

Berücksichtigt man, dass die Streuung im Schaltungsmodell der Übertragungsleitung auf einer Längeneinheit erfolgt. Mit anderen Worten, die wichtigen Parameter für die Modellierung einer Übertragungsleitung sind der Reihenwiderstand und die Reiheninduktivität des Leiters, die Parallelleitung des Dielektrikums und die Kapazität zwischen dem Leiter und seinem Rücklauf. Wichtig ist hierbei, die Veränderungen der Shunt-Leitfähigkeit und der fr4-Dielektrizitätskonstante mit Frequenz zu berücksichtigen.

Die Leitfähigkeit von fr4-Material wird in statische Komponente und frequenzabhängige Komponente unterteilt, von denen letztere proportional zum dielektrischen Verlust und der Frequenz ist. Gleichzeitig ist die dielektrische Konstante fr4 inhärent eine Funktion der Frequenz, die auf die Anregung von Oberflächenladungen oder Dipolschwingungen bei niedrigeren Frequenzen oder die Anregung von Gitterschwingungen und elektronischen Übergängen bei hohen Frequenzen zurückzuführen ist.

Im Hinblick auf den Aufbau eines Schaltungsmodells für die fr4-Leiterplatte müssen die Gesamtkapazität und die parallele Leitfähigkeit mit der Frequenz des Signals von Interesse auf fr4 bestimmt werden. Bei der Modellierung des Schaltungsverhaltens müssen diese Werte im Schaltungsmodell der Leiterbahnen auf der fr4-Platine enthalten sein. Die Berechnungen sind einfach, aber falsche Werte können dazu führen, dass Ihr Modell Ergebnisse liefert, die nicht mit der tatsächlichen Situation übereinstimmen.

Natürlich können Sie Gleichungen verwenden, um die Übertragungsleitungen jedes Teils der Leiterplatte zu analysieren, aber Sie können auch einen SPICE-basierten Schaltungssimulator verwenden. Sie müssen die richtigen Shunt-Leitfähigkeits- und Kapazitätswerte für das fr4 PCB-Substrat in der Frequenz angeben, die Sie interessieren.

Darüber hinaus können Sie, da Sie die dielektrische Konstante fr4 mit der entsprechenden Frequenz bestimmt haben, den richtigen Wert in den 3D-Feldlöser aufnehmen. So können Sie Strahlungsfelder überprüfen, die zu Signalintegritätsproblemen im gesamten Gerät- oder Multiboard-Design führen können.