Калькулятор диэлектрической постоянной FR4 и руководство по проектированию печатных плат

Какова диэлектрическая постоянная материала FR4?

Диэлектрическая постоянная FR4 ( Dk, или относительная диэлектрическая проницаемость εr) — это показатель того, как изолирующий ламинат печатной платы реагирует на электрическое поле. Для предварительных расчетов инженеры часто используют Dk ≈ 4.0–4.5 , но это значение не гарантировано для всех материалов FR4. FR4 — это семейство стеклоармированных эпоксидных материалов с различными системами смол, структурой ткани и электрическими характеристиками.

Правильное значение FR4 Dk зависит от указанного типа ламината, типа стекловолокна, содержания смолы, рабочей частоты и метода испытаний. Однозначное предположение «FR4 = 4.4» особенно рискованно для схем с контролируемым импедансом и высокоскоростных печатных плат.

Зависимость диэлектрической постоянной FR4 от частоты: реальные данные производителя.

Материал FR4 демонстрирует диэлектрическую дисперсию: его диэлектрическая проницаемость Dk может изменяться в зависимости от частоты. Приведенные ниже примеры для Isola 370HR представляют собой опубликованные данные, специфичные для конкретной конструкции, а не универсальные значения для всех печатных плат из FR4.

Источник: Официальные таблицы Dk/Df для конкретной конструкции Isola 370HR . Значения приведены для указанных конструкций и условий испытаний.

Таблица выявляет два важных факта: одно и то же семейство материалов FR4 может иметь разные значения Dk, поскольку различается его конструкция, и значение Dk, измеренное на частоте 1 ГГц, не следует автоматически применять к частоте 10 ГГц. В калькуляторе частота используется для обозначения длины волны и фазы в волноводе ; он не строит кривую зависимости Dk от частоты.

Как работает калькулятор: основные формулы

Калькулятор рассматривает путь распространения сигнала как идеальную, без потерь, немагнитную линию передачи. Сначала он определяет эффективную относительную диэлектрическую проницаемость, а затем вычисляет скорость распространения и задержку:

Здесь c = 299.792458 мм/нс . Эффективная относительная диэлектрическая проницаемость (εeff) зависит от поперечного сечения линии передачи:

Полосковая линия: Полностью встроенная трассировка

Для идеальной однородной модели полосковой линии εeff = Dk. Это значительно упрощает расчет задержки, но не вычисляет импеданс полосковой линии. Для расчета фактического импеданса полосковой линии необходимы размеры дорожек, толщина медного слоя, расстояние между плоскостями и характеристики многослойной структуры.

Микрополоска: поверхностная трассировка

Микрополосковая дорожка имеет поля как в воздухе, так и в подложке печатной платы. Калькулятор использует распространенное квазистатическое приближение для εeff, основанное на ширине дорожки W, высоте диэлектрика h и объемном Dk. Результат оказывается ниже, чем объемное Dk для обычной микрополосковой дорожки, находящейся на воздухе.

Для микрополосковых линий инструмент также отображает предварительное характеристическое сопротивление Z₀, используя приближение в замкнутой форме для нулевой толщины проводника. Это не учитывает паяльную маску, конечную толщину меди, шероховатость меди, частотную дисперсию или производственные допуски; он не может заменить инструмент для расчета импедансного поля, используемый в вашей типографии.

Пример решения: Dk 4.2 против 3.8

Для идеальной встроенной линии передачи длиной 50 мм значение Dk = 4.2 обеспечивает приблизительно 341.80 пс односторонней задержки, тогда как Dk = 3.8 обеспечивает приблизительно 325.12 пс . Это разница в 16.68 пс на той же физической длине. Измените длину линии или переключитесь на микрополосковую линию в калькуляторе выше, чтобы увидеть соответствующие результаты для вашей геометрии.

FR4 Dk против Df: почему оба варианта важны

Коэффициент диэлектрической проницаемости Dk влияет на распространение электромагнитных волн, фазовую скорость и импеданс линии передачи. Коэффициент рассеяния Df (тангенс угла диэлектрических потерь) описывает потери энергии в диэлектрике и способствует затуханию сигнала. Материал печатной платы с более низким значением Dk не обязательно будет иметь более низкое значение Df или более низкие общие вносимые потери. При выборе высокоскоростных и радиочастотных материалов необходимо учитывать оба параметра, а также потери в меди, шероховатость и геометрию схемы.

Как диэлектрическая прочность влияет на трассировку печатных плат для резисторов 50 Ом и 100 Ом

Диэлектрические свойства влияют на характеристическое сопротивление однополярных дорожек 50 Ом и дифференциальных пар 90/100 Ом, но одной диэлектрической проницаемости (Dk) недостаточно для расчета импеданса . Для надежного расчета контролируемого импеданса необходимы геометрия многослойной структуры, расположение опорной плоскости, толщина меди в готовом изделии, ширина линии, а также — в дифференциальных парах — расстояние между дорожками и связь между ними.

Результаты измерения Z₀ для микрополосковых линий, представленные выше, следует использовать только для предварительной проверки концепции. Для окончательного изготовления предоставьте компании Highleap Electronics данные о заданных импедансах и предлагаемую структуру слоев, чтобы можно было проверить соответствующие геометрические параметры и допущения относительно материалов.

Что отправить производителю печатных плат

Для печатных плат из материала FR4 с контролируемым импедансом или требовательными высокоскоростными сигналами необходимо указать марку ламината (или утвержденные альтернативы), структуру слоев, детали сердцевины/препрега (если имеются), требования к качеству меди, контролируемые цепи и целевые импедансы, допуски, файлы изготовления, а также любые ограничения по потерям или временным параметрам. Для проектов полной сборки печатных плат также необходимо предоставить спецификацию материалов, данные о размещении компонентов и требования к сборке.

Компания Highleap Electronics предлагает услуги по изготовлению и сборке печатных плат . При проектировании технологичной структуры платы следует учитывать наличие материалов, толщину диэлектрика, допуски при изготовлении, нагрев при сборке и долговременную надежность, а не только номинальное значение диэлектрической проницаемости (Dk).