Calculator de constantă dielectrică FR4 și ghid de proiectare PCB

Care este constanta dielectrică a FR4?

Constanta dielectrică FR4 ( Dk sau permitivitatea relativă εr) este o măsură a modului în care laminatul izolator al PCB răspunde la un câmp electric. Pentru proiectele preliminare, inginerii folosesc adesea Dk ≈ 4.0–4.5 , dar aceasta nu este o valoare garantată pentru toate FR4-urile. FR4 se referă la o familie de materiale epoxidice armate cu sticlă, cu diferite sisteme de rășini, construcții de țesături și caracteristici electrice.

Valoarea corectă a FR4 Dk depinde de laminatul specificat, stilul de sticlă, conținutul de rășină, frecvența de funcționare și metoda de testare. O singură presupunere „FR4 = 4.4” este deosebit de riscantă pentru configurațiile cu impedanță controlată și viteză mare.

Constanta dielectrică FR4 vs. frecvență: date reale ale producătorului

FR4 prezintă dispersie dielectrică: Dk-ul său se poate modifica în funcție de frecvență. Următoarele exemple de Isola 370HR sunt valori publicate specifice construcției - nu valori universale pentru fiecare PCB FR4.

Sursă: Tabelele oficiale Dk/Df specifice construcției pentru Isola 370HR . Valorile sunt pentru construcțiile și condițiile de testare menționate.

Tabelul relevă două aspecte importante: aceeași familie de materiale FR4 poate avea valori Dk diferite deoarece construcția sa diferă, iar un Dk măsurat la 1 GHz nu ar trebui aplicat automat la 10 GHz. În calculator, frecvența este utilizată pentru lungimea de undă și fază ghidate ; nu se creează o curbă Dk-frecvență.

Cum funcționează calculatorul: Formulele propriu-zise

Calculatorul tratează calea semnalului ca o linie de transmisie ideală, fără pierderi, nemagnetică. Mai întâi determină permitivitatea relativă efectivă și apoi calculează viteza de propagare și întârzierea:

Aici, c = 299.792458 mm/ns . Permitivitatea relativă efectivă (εeff) depinde de secțiunea transversală a liniei de transmisie:

Stripline: Traseu complet încorporat

Pentru modelul ideal omogen al liniei stripline , εeff = Dk. Acest lucru face calculul întârzierii deosebit de simplu, dar nu calculează impedanța liniei stripline. Impedanța reală a liniei stripline necesită dimensiunile urmei, grosimea cuprului, distanța dintre planuri și detaliile stivuirii.

Microstrip: Urmări de suprafață

O urmă de microstrip are câmpuri atât în ​​aer, cât și în substratul PCB. Calculatorul folosește o aproximare cvasistatică comună pentru εeff bazată pe lățimea urmei W, înălțimea dielectricului h și Dk în vrac. Rezultatul este mai mic decât Dk în vrac pentru o microstrip convențională expusă la aer.

Numai pentru microstrip, instrumentul afișează și o impedanță caracteristică preliminară Z₀ folosind o aproximare de formă închisă cu grosimea conductorului zero. Aceasta nu include masca de lipire, grosimea finită a cuprului, rugozitatea cuprului, dispersia de frecvență sau toleranțele de fabricație; nu poate înlocui rezolvatorul de câmp de impedanță al atelierului de plăci de circuite imprimate.

Exemplu lucrat: Dk 4.2 vs. 3.8

Pentru o linie de transmisie ideală încorporată de 50 mm, Dk = 4.2 produce aproximativ 341.80 ps de întârziere unidirecțională, în timp ce Dk = 3.8 produce aproximativ 325.12 ps . Aceasta reprezintă o diferență de 16.68 ps pe aceeași lungime fizică. Modificați lungimea liniei sau treceți la Microstrip în calculatorul de mai sus pentru a vedea rezultatele corespunzătoare geometriei dvs.

FR4 Dk vs. Df: De ce contează ambele

Dk influențează propagarea electromagnetică, viteza de fază și impedanța liniei de transmisie. Df (factorul de disipare sau tangenta de pierdere) descrie pierderea de energie dielectrică și contribuie la atenuarea semnalului. Un material PCB cu Dk mai mic nu are automat un Df mai mic sau o pierdere totală de inserție mai mică. Selecția materialelor pentru semnale de mare viteză și RF trebuie să ia în considerare ambele, alături de pierderea din cupru, rugozitatea și geometria circuitului.

Cum afectează Dk rutarea PCB de 50 și 100 ohmi

Proprietățile dielectrice afectează impedanța caracteristică a urmelor cu un singur capăt de 50 Ω și a perechilor diferențiale de 90/100 Ω, dar Dk singur este insuficient pentru a calcula impedanța . Un calcul fiabil al impedanței controlate necesită geometria stivuirii, aranjamentul planului de referință, grosimea finită a cuprului, lățimea liniei și - în perechile diferențiale - spațierea urmelor și cuplarea.

Folosiți rezultatul microstrip Z₀ de mai sus doar pentru verificări inițiale ale conceptului. Pentru fabricația finală, furnizați companiei Highleap Electronics ținte cu impedanță controlată și o propunere de stackup, astfel încât să poată fi revizuite ipotezele adecvate privind geometria și materialele.

Ce să trimiteți unui producător de PCB

Pentru un PCB FR4 cu impedanță controlată sau cu semnale de mare viteză solicitante, includeți gradul de laminat (sau alternativele aprobate), asamblarea straturilor, detaliile miezului/prepreg-ului, dacă sunt disponibile, cerințele privind cuprul finit, rețelele controlate și impedanțele țintă, toleranțele, fișierele de fabricație și orice constrângeri de pierdere sau de sincronizare. Pentru proiecte complete de asamblare PCB, furnizați și lista de materiale (BOM), datele de plasare a componentelor și cerințele de asamblare.

Highleap Electronics oferă servicii de fabricație și asamblare PCB . Un stackup fabricabil ar trebui să ia în considerare disponibilitatea materialelor, grosimea dielectricului, toleranțele de fabricație, încălzirea asamblării și fiabilitatea pe termen lung - nu doar un număr Dk nominal.