Калькулятор діелектричної константи FR4 та посібник з проектування друкованої плати

Яка діелектрична проникність FR4?

Діелектрична проникність FR4 ( Dk, або відносна діелектрична проникність εr) – це міра того, як ізоляційний шар друкованої плати реагує на електричне поле. Для попередніх проектів інженери часто використовують Dk ≈ 4.0–4.5 , але це не гарантоване значення для всіх FR4. FR4 відноситься до сімейства епоксидних матеріалів, армованих скловолокном, з різними системами смол, конструкціями тканин та електричними характеристиками.

Правильне значення Dk FR4 залежить від заданого ламінату, типу скла, вмісту смоли, робочої частоти та методу випробування. Одне припущення «FR4 = 4.4» є особливо ризикованим для схем з контрольованим імпедансом та високошвидкісних схем.

Діелектрична проникність FR4 у порівнянні з частотою: реальні дані виробника

FR4 демонструє діелектричну дисперсію: його Dk може змінюватися з частотою. Наведені нижче приклади Isola 370HR є опублікованими показниками, що стосуються конкретної конструкції, а не універсальними значеннями для кожної друкованої плати FR4.

Джерело: Офіційні таблиці Dk/Df для конкретної конструкції Isola 370HR . Значення наведені для зазначених конструкцій та умов випробувань.

У таблиці показано два важливі факти: одне й те саме сімейство матеріалів FR4 може мати різні значення Dk, оскільки їхня конструкція відрізняється, і Dk, виміряний на частоті 1 ГГц, не повинен автоматично застосовуватися на частоті 10 ГГц. У калькуляторі частота використовується для визначення довжини хвилі та фази ; він не створює криву залежності Dk від частоти.

Як працює калькулятор: фактичні формули

Калькулятор розглядає шлях сигналу як ідеальну, без втрат, немагнітну лінію передачі. Спочатку він визначає ефективну відносну діелектричну проникність, а потім обчислює швидкість поширення та затримку:

Тут c = 299.792458 мм/нс . Ефективна відносна діелектрична проникність (εeff) залежить від поперечного перерізу лінії передачі:

Смужкова лінія: повністю вбудована траса

Для ідеальної однорідної моделі смужкової лінії εeff = Dk. Це робить розрахунок затримки особливо простим, але не розраховує імпеданс смужкової лінії. Фактичний імпеданс смужкової лінії потребує розмірів доріжок, товщини міді, відстані між площинами та деталей стекування.

Мікросмужковий: поверхневий слід

Мікросмужкова доріжка має поля як у повітрі, так і на підкладці друкованої плати. Калькулятор використовує загальне квазістатичне наближення для εeff на основі ширини доріжки W, діелектричної висоти h та об'ємного Dk. Результат нижчий, ніж об'ємний Dk для звичайної мікросмужкової доріжки, що піддається впливу повітря.

Тільки для мікросмужкових матеріалів інструмент також показує попередній характеристичний імпеданс Z₀, використовуючи наближення замкнутої форми з нульовою товщиною провідника. Це не включає маску паяння, скінченну товщину міді, шорсткість міді, дисперсію частоти або виробничі допуски; він не може замінити вирішувач поля імпедансу вашої майстерні з виробництва плат.

Розв'язаний приклад: Dk 4.2 проти 3.8

Для ідеальної вбудованої лінії передачі довжиною 50 мм, Dk = 4.2 створює приблизно 341.80 пс односторонньої затримки, тоді як Dk = 3.8 створює приблизно 325.12 пс . Це різниця в 16.68 пс на тій самій фізичній довжині. Змініть довжину лінії або перемкніться на мікросмужковий режим у калькуляторі вище, щоб побачити відповідні результати для вашої геометрії.

FR4 Dk проти Df: чому обидва варіанти мають значення

Dk впливає на поширення електромагнітних хвиль, фазову швидкість та імпеданс лінії передачі. Df (коефіцієнт дисипації або тангенс кута втрат) описує втрати діелектричної енергії та сприяє ослабленню сигналу. Матеріал друкованої плати з нижчим Dk не має автоматично нижчого Df або нижчих загальних внесених втрат. Вибір високошвидкісного та радіочастотного матеріалу повинен враховувати обидва фактори, окрім втрат у міді, шорсткість та геометрію схеми.

Як Dk впливає на трасування друкованих плат з опором 50 Ом та 100 Ом

Діелектричні властивості впливають на характеристичний імпеданс односторонніх доріжок 50 Ом та диференціальних пар 90/100 Ом, але самого лише Dk недостатньо для розрахунку імпедансу . Надійний розрахунок контрольованого імпедансу вимагає геометрії стека, розташування опорної площини, товщини готової міді, ширини лінії та — в диференціальних парах — відстані між доріжками та зв'язку.

Використовуйте наведений вище результат мікросмужкового Z₀ лише для ранньої перевірки концепції. Для остаточного виготовлення надайте Highleap Electronics мішені з контрольованим імпедансом та запропоноване стекування, щоб можна було переглянути відповідну геометрію та припущення щодо матеріалів.

Що надіслати виробнику друкованих плат

Для друкованої плати FR4 з контрольованим імпедансом або вимогливими високошвидкісними сигналами, вкажіть клас ламінату (або затверджені альтернативи), стек шарів, деталі осердя/препрега, якщо такі є, вимоги до готової міді, контрольовані мережі та цільові імпеданси, допуски, файли виготовлення та будь-які обмеження щодо втрат або часу. Для повних проектів складання друкованих плат також надайте специфікацію матеріалу, дані про розміщення компонентів та вимоги до складання.

Компанія Highleap Electronics пропонує послуги з виготовлення та складання друкованих плат . При виборі технологічного стека слід враховувати доступність матеріалів, товщину діелектрика, допуски на виготовлення, нагрівання складання та довгострокову надійність, а не лише номінальне число Dk.