Kalkulator stałej dielektrycznej FR4 i przewodnik projektowania PCB

Jaka jest stała dielektryczna FR4?

Stała dielektryczna FR4 ( Dk, czyli względna przenikalność elektryczna εr) jest miarą reakcji laminatu izolacyjnego PCB na pole elektryczne. W projektach wstępnych inżynierowie często stosują Dk ≈ 4.0–4.5 , ale nie jest to wartość gwarantowana dla wszystkich materiałów FR4. FR4 odnosi się do rodziny materiałów epoksydowych wzmacnianych włóknem szklanym, o różnych systemach żywic, strukturach tkanin i właściwościach elektrycznych.

Prawidłowy współczynnik FR4 Dk zależy od rodzaju laminatu, rodzaju szkła, zawartości żywicy, częstotliwości roboczej i metody badania. Pojedyncze założenie „FR4 = 4.4” jest szczególnie ryzykowne w przypadku układów o kontrolowanej impedancji i dużej prędkości.

Stała dielektryczna FR4 a częstotliwość: rzeczywiste dane producenta

FR4 charakteryzuje się dyspersją dielektryczną: jego Dk może zmieniać się wraz z częstotliwością. Poniższe przykłady Isola 370HR to opublikowane dane specyficzne dla danej konstrukcji, a nie uniwersalne wartości dla każdej płytki PCB FR4.

Źródło: Oficjalne tabele Dk/Df dla modelu Isola 370HR, specyficzne dla danej konstrukcji . Wartości dotyczą podanych konstrukcji i warunków testowych.

Tabela ujawnia dwa ważne fakty: ta sama rodzina materiałów FR4 może mieć różne wartości Dk ze względu na inną konstrukcję, a wartość Dk zmierzona przy 1 GHz nie powinna być automatycznie stosowana przy 10 GHz. W kalkulatorze częstotliwość jest używana do określenia długości fali i fazy ; nie tworzy ona krzywej Dk względem częstotliwości.

Jak działa kalkulator: rzeczywiste wzory

Kalkulator traktuje ścieżkę sygnału jako idealną, bezstratną, niemagnetyczną linię transmisyjną. Najpierw określa efektywną względną przenikalność elektryczną, a następnie oblicza prędkość i opóźnienie propagacji:

Tutaj c = 299.792458 mm/ns . Efektywna względna przenikalność elektryczna (εeff) zależy od przekroju linii transmisyjnej:

Linia paskowa: w pełni osadzony ślad

Dla idealnego, jednorodnego modelu linii paskowej, εeff = Dk. To sprawia, że ​​obliczenie opóźnienia jest szczególnie proste, ale nie pozwala na obliczenie impedancji linii paskowej. Rzeczywista impedancja linii paskowej wymaga wymiarów śladu, grubości miedzi, odstępu między płaszczyznami i szczegółów dotyczących ułożenia warstw.

Mikropasek: Ślad powierzchni

Ścieżka mikropaskowa ma pola zarówno w powietrzu, jak i w podłożu PCB. Kalkulator wykorzystuje typowe przybliżenie quasi-statyczne dla εeff oparte na szerokości ścieżki W, wysokości dielektryka h i objętościowym Dk. Wynik jest niższy niż objętościowy Dk dla konwencjonalnego mikropaskowego mikropaska eksponowanego w powietrzu.

Tylko w przypadku mikropasków, narzędzie pokazuje również wstępną impedancję charakterystyczną Z₀, wykorzystując przybliżenie postaci zamkniętej dla zerowej grubości przewodnika. Nie uwzględnia to maski lutowniczej, skończonej grubości miedzi, chropowatości miedzi, dyspersji częstotliwości ani tolerancji produkcyjnych; nie może ono zastąpić narzędzia do obliczania impedancji w terenie w warsztacie.

Przykład praktyczny: Dk 4.2 vs. 3.8

Dla idealnej wbudowanej linii transmisyjnej o szerokości 50 mm, Dk = 4.2 generuje około 341.80 ps opóźnienia w jedną stronę, a Dk = 3.8 około 325.12 ps . To różnica 16.68 ps przy tej samej długości fizycznej. Zmień długość linii lub przełącz się na tryb Microstrip w powyższym kalkulatorze, aby zobaczyć odpowiednie wyniki dla swojej geometrii.

FR4 Dk vs. Df: Dlaczego oba są ważne

Współczynnik Dk wpływa na propagację elektromagnetyczną, prędkość fazową i impedancję linii transmisyjnej. Współczynnik Df (współczynnik stratności, czyli tangens strat) opisuje straty energii dielektrycznej i przyczynia się do tłumienia sygnału. Materiał PCB o niższym współczynniku Dk nie oznacza automatycznie niższego współczynnika Df ani niższych całkowitych strat wtrąceniowych. Dobór materiałów do transmisji danych o dużej prędkości i częstotliwościach radiowych musi uwzględniać oba te czynniki, a także straty miedzi, chropowatość i geometrię obwodu.

Jak Dk wpływa na trasowanie PCB 50-omowe i 100-omowe

Właściwości dielektryczne wpływają na impedancję charakterystyczną ścieżek jednostronnych 50 Ω i par różnicowych 90/100 Ω, ale sama wartość Dk nie wystarcza do obliczenia impedancji . Wiarygodne obliczenie impedancji kontrolowanej wymaga geometrii stosu, układu płaszczyzny odniesienia, grubości gotowej miedzi, szerokości linii oraz – w parach różnicowych – odstępów między ścieżkami i sprzężenia.

Powyższy wynik z mikropaska Z₀ należy wykorzystać wyłącznie do wstępnej weryfikacji koncepcji. Do ostatecznej produkcji należy dostarczyć firmie Highleap Electronics targety o kontrolowanej impedancji i proponowany układ warstw, aby umożliwić weryfikację założeń dotyczących odpowiedniej geometrii i materiałów.

Co wysłać producentowi PCB

W przypadku płytki PCB FR4 o kontrolowanej impedancji lub wymagających sygnałów o dużej szybkości, należy uwzględnić gatunek laminatu (lub zatwierdzone alternatywy), układ warstw, szczegóły dotyczące rdzenia/prepregu, jeśli są dostępne, wymagania dotyczące wykończonej miedzi, kontrolowane sieci i docelowe impedancje, tolerancje, pliki produkcyjne oraz wszelkie ograniczenia dotyczące strat lub czasu. W przypadku kompletnych projektów montażu PCB należy również dostarczyć zestawienie materiałów (BOM), dane dotyczące rozmieszczenia komponentów i wymagania montażowe.

Firma Highleap Electronics oferuje usługi wytwarzania i montażu płytek PCB . Przygotowując układ do produkcji, należy brać pod uwagę dostępność materiałów, grubość dielektryka, tolerancje wykonania, nagrzewanie zespołu i długoterminową niezawodność – a nie tylko nominalną wartość Dk.