FR4-Dielektrizitätskonstantenrechner und Leitfaden für das Leiterplattendesign

Wie hoch ist die Dielektrizitätskonstante von FR4?

Die Dielektrizitätskonstante (Dk, oder relative Permittivität εr) von FR4 ist ein Maß dafür, wie die Isolierschicht der Leiterplatte auf ein elektrisches Feld reagiert. Für erste Entwürfe verwenden Ingenieure häufig einen Wert von Dk ≈ 4.0–4.5 , dies ist jedoch kein garantierter Wert für alle FR4-Materialien. FR4 bezeichnet eine Familie glasfaserverstärkter Epoxidharze mit unterschiedlichen Harzsystemen, Gewebestrukturen und elektrischen Eigenschaften.

Der korrekte FR4-Dk-Wert hängt vom verwendeten Laminat, der Glasart, dem Harzanteil, der Betriebsfrequenz und dem Prüfverfahren ab. Eine pauschale Annahme wie „FR4 = 4.4“ ist insbesondere bei Schaltungen mit kontrollierter Impedanz und hohen Übertragungsgeschwindigkeiten riskant.

FR4-Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit von der Frequenz: Reale Herstellerdaten

FR4 weist dielektrische Dispersion auf: Sein Dk-Wert kann sich mit der Frequenz ändern. Die folgenden Beispiele für Isola 370HR sind konstruktionsspezifische, veröffentlichte Werte – keine universellen Werte für jede FR4-Leiterplatte.

Quelle: Offizielle, konstruktionsspezifische Dk/Df-Tabellen des Isola 370HR . Die Werte gelten für die angegebenen Konstruktionen und Testbedingungen.

Die Tabelle verdeutlicht zwei wichtige Punkte: Innerhalb der FR4-Materialfamilie können sich die Dk-Werte aufgrund unterschiedlicher Konstruktionen unterscheiden, und ein bei 1 GHz gemessener Dk-Wert sollte nicht automatisch auf 10 GHz übertragen werden. Der Rechner verwendet die Frequenz zur Berechnung von Wellenlänge und Phase ; er erstellt keine Dk-Frequenz-Kurve.

So funktioniert der Rechner: Die eigentlichen Formeln

Der Rechner behandelt den Signalweg als ideale, verlustfreie, nichtmagnetische Übertragungsleitung. Er bestimmt zunächst die effektive relative Permittivität und berechnet anschließend die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Laufzeit.

Hierbei ist c = 299.792458 mm/ns . Die effektive relative Permittivität (εeff) hängt vom Querschnitt der Übertragungsleitung ab:

Streifenleitung: Vollständig eingebettete Leiterbahn

Im idealen homogenen Streifenleitungsmodell gilt εeff = Dk. Dies vereinfacht die Laufzeitberechnung erheblich, berechnet aber nicht die Streifenleitungsimpedanz. Für die tatsächliche Streifenleitungsimpedanz werden die Leiterbahnabmessungen, die Kupferdicke, der Leiterbahnabstand und die Details des Leiterbahnaufbaus benötigt.

Mikrostreifen: Oberflächenspur

Eine Mikrostreifenleiterbahn weist Felder sowohl in der Luft als auch im Leiterplattensubstrat auf. Der Rechner verwendet eine gängige quasistatische Näherung für ε_eff, basierend auf der Leiterbahnbreite W, der dielektrischen Höhe h und dem Volumenwiderstand Dk. Das Ergebnis ist niedriger als der Volumenwiderstand Dk für eine herkömmliche, luftexponierte Mikrostreifenleiterbahn.

Das Tool zeigt außerdem, ausschließlich für Mikrostreifenleitungen, eine vorläufige charakteristische Impedanz Z₀ unter Verwendung einer geschlossenen Näherung ohne Leiterbahndicke an. Diese berücksichtigt weder Lötstopplack, endliche Kupferdicke, Kupferrauheit, Frequenzdispersion noch Fertigungstoleranzen und kann daher die Impedanzfeldberechnung Ihres Leiterplattenherstellers nicht ersetzen.

Rechenbeispiel: Dk 4.2 vs. 3.8

Bei einer idealen eingebetteten 50-mm-Übertragungsleitung ergibt ein Dk-Wert von 4.2 eine Einwegverzögerung von ca. 341.80 ps , ​​während ein Dk-Wert von 3.8 eine Verzögerung von ca. 325.12 ps ergibt . Das entspricht einem Unterschied von 16.68 ps bei gleicher physikalischer Länge. Ändern Sie die Leitungslänge oder wählen Sie im obigen Rechner „Mikrostreifen“, um die entsprechenden Ergebnisse für Ihre Geometrie zu erhalten.

FR4 Dk vs. Df: Warum beide wichtig sind

Der Dielektrizitätskonstantenkoeffizient Dk beeinflusst die elektromagnetische Ausbreitung, die Phasengeschwindigkeit und die Impedanz der Übertragungsleitung. Der Verlustfaktor Df (auch Verlustfaktor genannt) beschreibt den dielektrischen Energieverlust und trägt zur Signaldämpfung bei. Ein Leiterplattenmaterial mit niedrigerem Dk-Wert weist nicht automatisch einen niedrigeren Df-Wert oder eine geringere Gesamtdämpfung auf. Bei der Materialauswahl für Hochgeschwindigkeits- und HF-Anwendungen müssen neben Kupferverlusten, Oberflächenrauheit und Schaltungsgeometrie auch beide Werte berücksichtigt werden.

Wie sich Dk auf das Leiterbahn-Routing von 50-Ohm- und 100-Ohm-Leiterplatten auswirkt

Die dielektrischen Eigenschaften beeinflussen die charakteristische Impedanz von 50-Ω-Eindrahtleitungen und 90/100-Ω-Differenzpaaren. Der Wert von Dk allein reicht jedoch nicht zur Impedanzberechnung aus . Für eine zuverlässige Impedanzberechnung sind die Geometrie des Leiterbahnaufbaus, die Anordnung der Referenzebene, die fertige Kupferdicke, die Leiterbahnbreite sowie – bei Differenzpaaren – der Leiterbahnabstand und die Kopplung erforderlich.

Verwenden Sie das oben genannte Ergebnis für die Mikrostreifen-Z₀-Struktur nur für erste Konzeptprüfungen. Für die endgültige Fertigung übermitteln Sie Highleap Electronics bitte die Zielwerte für die Impedanzkontrolle sowie einen vorgeschlagenen Schichtaufbau, damit die Geometrie und die Materialannahmen überprüft werden können.

Was man einem Leiterplattenhersteller senden sollte

Für FR4-Leiterplatten mit kontrollierter Impedanz oder anspruchsvollen Hochgeschwindigkeitssignalen geben Sie bitte die Laminatqualität (oder zugelassene Alternativen), den Lagenaufbau, Kern-/Prepreg-Details (falls verfügbar), Anforderungen an die Kupferbeschichtung, kontrollierte Netze und Zielimpedanzen, Toleranzen, Fertigungsdateien sowie etwaige Dämpfungs- oder Timing-Anforderungen an. Für komplette Leiterplattenbestückungsprojekte benötigen wir zusätzlich die Stückliste, Daten zur Bauteilplatzierung und die Bestückungsanforderungen.

Highleap Electronics bietet Leiterplattenfertigung und -bestückung an . Ein fertigungsgerechter Lagenaufbau sollte neben einem nominalen Dk-Wert auch die Materialverfügbarkeit, die Dicke des Dielektrikums, Fertigungstoleranzen, die Erwärmung bei der Bestückung und die Langzeitstabilität berücksichtigen.