Calcolatore della costante dielettrica FR4 e guida alla progettazione di PCB

Qual è la costante dielettrica dell'FR4?

La costante dielettrica FR4 (Dk, o permittività relativa εr) è una misura di come il laminato isolante del PCB risponde a un campo elettrico. Per le progettazioni preliminari, gli ingegneri utilizzano spesso un valore di Dk ≈ 4.0–4.5 , ma questo non è un valore garantito per tutti i materiali FR4. FR4 si riferisce a una famiglia di materiali epossidici rinforzati con fibra di vetro con diversi sistemi di resina, strutture tessili e caratteristiche elettriche.

Il valore corretto di FR4 Dk dipende dal laminato specificato, dal tipo di vetro, dal contenuto di resina, dalla frequenza operativa e dal metodo di prova. Assumere semplicemente "FR4 = 4.4" è particolarmente rischioso per layout a impedenza controllata e ad alta velocità.

Costante dielettrica FR4 in funzione della frequenza: dati reali del produttore

L'FR4 presenta dispersione dielettrica: il suo Dk può variare con la frequenza. I seguenti esempi relativi all'Isola 370HR si basano su valori specifici di questa costruzione, non su valori universali validi per tutti i PCB in FR4.

Fonte: tabelle Dk/Df ufficiali di Isola 370HR specifiche per la costruzione . I valori si riferiscono alle costruzioni e alle condizioni di prova indicate.

La tabella rivela due fatti importanti: la stessa famiglia di materiali FR4 può avere valori Dk diversi perché la sua costruzione è differente, e un valore Dk misurato a 1 GHz non dovrebbe essere automaticamente applicato a 10 GHz. Nel calcolatore, la frequenza viene utilizzata per la lunghezza d'onda guidata e la fase ; non genera una curva Dk-frequenza.

Come funziona la calcolatrice: le formule effettive

Il calcolatore considera il percorso del segnale come una linea di trasmissione ideale, senza perdite e non magnetica. Determina innanzitutto la permittività relativa effettiva e quindi calcola la velocità di propagazione e il ritardo:

Qui, c = 299.792458 mm/ns . La permittività relativa efficace (εeff) dipende dalla sezione trasversale della linea di trasmissione:

Stripline: tracciamento completamente integrato

Per il modello ideale di stripline omogenea , εeff = Dk. Questo semplifica notevolmente il calcolo del ritardo, ma non calcola l'impedenza della stripline. Per calcolare l'impedenza reale della stripline sono necessarie le dimensioni delle tracce, lo spessore del rame, la spaziatura tra i piani e i dettagli dello stackup.

Microstriscia: traccia di superficie

Una traccia a microstriscia presenta campi sia nell'aria che nel substrato del PCB. Il calcolatore utilizza una comune approssimazione quasi statica per εeff basata sulla larghezza della traccia W, sull'altezza del dielettrico h e sulla costante dielettrica Dk del materiale di base. Il risultato è inferiore alla costante dielettrica Dk del materiale di base per una microstriscia convenzionale esposta all'aria.

Solo per le microstrip, lo strumento mostra anche un'impedenza caratteristica preliminare Z₀ utilizzando un'approssimazione in forma chiusa con spessore del conduttore nullo. Questa non include la maschera di saldatura, lo spessore finito del rame, la rugosità del rame, la dispersione di frequenza o le tolleranze di produzione; non può sostituire il risolutore del campo di impedenza del vostro laboratorio di produzione di circuiti stampati.

Esempio pratico: Dk 4.2 contro 3.8

Per una linea di trasmissione integrata ideale da 50 mm, Dk = 4.2 produce un ritardo unidirezionale di circa 341.80 ps , ​​mentre Dk = 3.8 produce un ritardo di circa 325.12 ps . Si tratta di una differenza di 16.68 ps sulla stessa lunghezza fisica. Modifica la lunghezza della linea o passa a Microstrip nel calcolatore qui sopra per visualizzare i risultati corrispondenti alla tua geometria.

FR4 Dk vs. Df: perché entrambi sono importanti

Dk influenza la propagazione elettromagnetica, la velocità di fase e l'impedenza della linea di trasmissione. Df (fattore di dissipazione o tangente di perdita) descrive la perdita di energia dielettrica e contribuisce all'attenuazione del segnale. Un materiale per PCB con un valore di Dk inferiore non implica automaticamente un valore di Df inferiore o una perdita di inserzione totale inferiore. La selezione dei materiali per applicazioni ad alta velocità e RF deve tenere conto di entrambi i fattori, oltre alle perdite nel rame, alla rugosità e alla geometria del circuito.

Come Dk influenza il routing su PCB da 50 Ohm e 100 Ohm

Le proprietà dielettriche influenzano l'impedenza caratteristica delle tracce single-ended da 50 Ω e delle coppie differenziali da 90/100 Ω, ma il solo Dk non è sufficiente per calcolare l'impedenza . Un calcolo affidabile dell'impedenza controllata richiede la geometria dello stackup, la disposizione del piano di riferimento, lo spessore del rame finito, la larghezza della linea e, nelle coppie differenziali, la spaziatura e l'accoppiamento delle tracce.

Utilizzare il risultato Z₀ del microstriscia riportato sopra solo per le verifiche preliminari del concetto. Per la fabbricazione finale, fornire a Highleap Electronics i target di impedenza controllata e una proposta di stackup in modo che possano essere esaminate le ipotesi appropriate sulla geometria e sui materiali.

Cosa inviare a un produttore di PCB

Per un PCB FR4 con impedenza controllata o che richiede segnali ad alta velocità, includere il grado del laminato (o alternative approvate), la stratificazione, i dettagli del nucleo/prepreg se disponibili, i requisiti del rame finito, le reti controllate e le impedenze target, le tolleranze, i file di fabbricazione e qualsiasi vincolo di perdita o temporizzazione. Per progetti di assemblaggio PCB completi, fornire anche la distinta base (BOM), i dati di posizionamento dei componenti e i requisiti di assemblaggio.

Highleap Electronics offre servizi di fabbricazione e assemblaggio di PCB . Una configurazione ottimale per la produzione dovrebbe tenere conto della disponibilità dei materiali, dello spessore del dielettrico, delle tolleranze di fabbricazione, del riscaldamento durante l'assemblaggio e dell'affidabilità a lungo termine, non solo di un valore Dk nominale.