FR4: Dielektrizitätskonstante und Materialeigenschaften

Die Materialauswahl ist entscheidend für eine gute Leistung und Zuverlässigkeit bei der Herstellung einer Leiterplatte. FR4 ist nach wie vor das am häufigsten verwendete Material aufgrund seiner ausgewogenen elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften. Eine der wesentlichen Eigenschaften von FR4 ist die Tatsache, dass die Dielektrizitätskonstante (Dk) die Leistung von Leiterplatten, insbesondere bei hohen Frequenzen, stark beeinflusst. Mit der Kenntnis der Dielektrizitätskonstante und der damit verbundenen Eigenschaften von FR4 kann der Leiterplattendesigner stets rationale Entscheidungen für eine stabile Signalübertragung innerhalb der Leiterplatte treffen.

Was ist die Dielektrizitätskonstante von FR4?

Die Dielektrizitätskonstante, der Begriff wird alternativ mit der relativen Permittivität verwendet, ist die Speicherfähigkeit des Materials für elektrische Energie in einem elektrischen Feld. Sie gibt an, wie viel elektrische Ladung ein bestimmtes Material gegenüber Vakuum halten kann und was die Dielektrizitätskonstante darstellt. Bei FR4-Materialien in Leiterplattenanwendungen gibt die Dielektrizitätskonstante an, wie viel Signal störungsfrei über die Leiterplatte übertragen wird.

Auswirkungen auf die Leistung von FR4-Leiterplatten

Die Dielektrizitätskonstante beeinflusst in der Praxis die folgenden Eigenschaften von PCB.

● SignalübertragungMaterialien mit hoher Dielektrizitätskonstante erhöhen die Kapazität zwischen den Leitern und verlangsamen so die Signalübertragung. Das mag zwar für manche Designs hilfreich sein, führt aber meist zu Problemen bei Leiterplatten mit hoher Geschwindigkeit und hoher Frequenz, die normalerweise für einen reibungslosen Signalfluss ausgelegt sind.

● Impedanzkontrolle: Da die Dielektrizitätskonstante die Impedanzkontrolle bestimmt, spielt sie bei der Impedanzkontrolle eine wichtige Rolle. Sie verhindert Reflexionen und Signalverzerrungen. Ein stabiler Dk-Wert stabilisiert die Impedanz zwischen den Leiterplattenschichten.

● SignalverlustHöhere Dielektrizitätskonstanten tragen zu einem höheren Signalverlust bei. Eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten beeinträchtigt insoweit die Qualität und Zuverlässigkeit der übertragenen Daten. Diese Abwägung muss insbesondere im Hinblick auf die Designpriorität hinsichtlich minimaler Verluste gegenüber entfernten Signalen getroffen werden.

Durchschnittswert und Signalintegrität

FR4-Material hat eine Dielektrizitätskonstante von etwa 4.0 bis 4.5, wobei die Werte je nach Harzzusammensetzung und Fertigungsabweichungen variieren können. Für Hochfrequenzdesigns ist der Bereich moderat. Die Nachfrage nach schnelleren Hochfrequenzanwendungen in der Telekommunikation und Datenverarbeitung hat Entwickler jedoch zunehmend dazu veranlasst, Materialien mit niedrigeren Dk-Werten zu wählen, um die Signalintegrität zu gewährleisten.

Signalgeschwindigkeit und -stabilität werden durch die Dielektrizitätskonstante beeinträchtigt, die Leiterplattenhersteller/-designer in der Vorphase berücksichtigen müssen. FR4 führt bei Hochfrequenzanwendungen aufgrund der Dielektrizitätskonstanten zu Phasenverzerrungen der Leiterplatten. Dies führt zu Zeitunterschieden in den Signalwegen unterschiedlicher Frequenzintervalle zu bestimmten Punkten, was zu Verlusten oder Fehlern in der übertragenen Information führt. FR4 wird bei niedrigen bis mittleren Frequenzen oder anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen die Signaltreue weniger wichtig ist.

Über PCBasic

Zeit ist Geld in Ihren Projekten – und PCBasic versteht es. PCGrundlagen ist eine Unternehmen für Leiterplattenbestückung das jedes Mal schnelle, einwandfreie Ergebnisse liefert. Unsere umfassende PCB-Bestückungsdienstleistungen Wir bieten Ihnen bei jedem Schritt kompetente technische Unterstützung und gewährleisten so höchste Qualität bei jedem Board. Als führender Hersteller von Leiterplattenbestückungen, Wir bieten eine Komplettlösung, die Ihre Lieferkette optimiert. Arbeiten Sie mit unseren fortschrittlichen PCB-Prototypenfabrik für schnelle Bearbeitungszeiten und hervorragende Ergebnisse, auf die Sie sich verlassen können.

FR4 Dielektrizitätskonstante vs. Frequenz

Ein weiteres sehr kritisches Merkmal des dielektrischen VerhaltensuEin wichtiger Aspekt der Frequenzabhängigkeit ist, dass sich das Material bei Frequenzen über 1 GHz leicht verändert. Dies spiegelt die Tatsache wider, dass sich die Dielektrizitätskonstante von FR4 bei Frequenzen über 1 GHz ändert und sich somit auf die Signalgeschwindigkeit und die Phasengenauigkeit auswirkt.

Dieser Effekt ist zwar gering, aber bei digitalen Hochgeschwindigkeits- und HF-Anwendungen, bei denen eine gleichmäßige Signalausbreitung erwünscht ist, viel kritischer. Bei FR4 weist die Dispersion jedoch eine leichte Abnahme der Dielektrizitätskonstante mit zunehmender Frequenz auf.

Obwohl ein solcher Grad an Abweichung für die meisten konventionellen Anwendungen akzeptabel war, machten es viele Hochfrequenz- und 5G-Anwendungen für die Hersteller unumgänglich, nach alternativen Materialien als dem herkömmlich verwendeten FR4-Material zu suchen. So wiesen verlustarmes FR4 und die modifizierten Materialien niedrige DK-Werte auf, was eine deutlich stabilere Leistung in deutlich breiteren Frequenzbereichen ermöglichte.

FR4-Materialien Eigenschaften

FR4 ist ein glasfaserverstärktes Epoxidlaminat, das für seine ausgewogenen elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften bekannt ist. Es bietet ausgewogene Eigenschaften auf elektrischer, mechanischer und thermischer Ebene. FR4 ist das am häufigsten verwendete starre Leiterplattenmaterial. Es ist aufgrund seiner hervorragenden Isolierung, guten mechanischen Festigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit die beste Wahl. FR4 besteht aus gewebten Glasfaserschichten, die mit einem Epoxidharzbinder imprägniert sind. Dies sorgt für stabile Dielektrizitätskonstanten und strukturelle Stabilität im mehrschichtigen Layout einer Leiterplatte. Seine sicheren dielektrischen Eigenschaften machen FR4 weiterhin zu einer der besten verfügbaren Optionen auf dem Markt für alle Anwendungen, von einfacher Unterhaltungselektronik bis hin zu anspruchsvoller Industriehardware.

Da die Nachfrage nach Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen immer größer wird, verlangen PCB-Designer jetzt nach mehr FR4-Varianten mit Leistungsstandards und kontrollierten Herstellungskosten.

Faktoren, die die Dielektrizitätskonstante von FR4 beeinflussen

FR4 basiert auf einer Reihe interner und externer Parameter, die mit der Dielektrizitätskonstante zusammenhängen. Sobald einige bekannte Werte festgelegt sind, können daraus Rückschlüsse darauf gezogen werden, wie sich die Designs im Vergleich zu anderen Materialien oder Konfigurationen verändern.

Inhalt Harz oder Füllmaterial

Dies hängt von der Art des verwendeten Harzes und den verwendeten Füllstoffen ab. Die Hersteller mischen die Füllstoffe auf eine bestimmte Weise, wodurch sich der Dk-Wert von FR4 ändert. Dies wiederum eignet sich am besten für Anwendungen, die geringe Verluste oder hohe Frequenzen erfordern. Füllstoffe werden üblicherweise so zugegeben, dass die Verschiebung des Dk-Werts mit der Frequenz ausgeglichen wird. Durch den Einsatz verschiedener Harze wurde eine relativ niedrige Dielektrizitätskonstante und deutlich stabilere Eigenschaften erreicht.

Spektrumabhängigkeit

Die Frequenzabhängigkeit ist eines der wichtigsten Merkmale von Hochgeschwindigkeits- und HF-Anwendungen. Die in dieser Arbeit durchgeführte Analyse zeigt auch den Dispersionseffekt. Die Dielektrizitätskonstante sollte daher minimal sein, da sie die Frequenz erhöht. Aus demselben Grund wird auch der variierende FR4-Materialtyp betrachtet und zusammen mit den angewendeten Frequenzbereichen kategorisiert. Alle diese Effekte sind relativ gering, mit Ausnahme von elementaren digitalen Schaltungen und Frequenzen unter etwa 1 GHz. Jeder Offset ungleich Null führt jedoch selbst bei hohen Frequenzen zu einem minimalen Offset, was bekanntermaßen die Signalintegrität der Schaltungen erheblich beeinträchtigt.

Umweltbelastung

Die anderen Umweltfaktoren, die für die Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften von FR4 entscheidend sind, sind absorbierte Feuchtigkeit und Temperatur.

● Temperatur: FR4 erhöht die Dielektrizitätskonstante mit steigender Temperatur. Dies stellt in sengenden Umgebungen ein Problem dar, da die Signale an Leistung verlieren. Dies könnte auch bei höherfrequenten Platinen problematisch werden, da die beteiligten Komponenten hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

● Feuchtigkeitsaufnahme: FR4-Materialien absorbieren Feuchtigkeit aus der Umgebung. Die aufgenommene Feuchtigkeit kann die Dielektrizitätskonstante erhöhen und somit zu einer Signalverschlechterung führen. Daher können Beschichtungen für Leiterplatten erforderlich sein, wenn sie in feuchten Umgebungen oder im Außenbereich eingesetzt werden.

Strukturelle und mechanistische Ursachen

Dies trägt auch zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften des FR4-Laminats bei. Die Dicke von Kupfer und Laminat sowie das Glasfasergewebe tragen maßgeblich zum dielektrischen Verhalten einer Leiterplatte bei.

● Laminadicke und Kupferdicke: Die Variationskapazität nimmt die Dicke des PCB-Stapels ein, über den ein Signal läuft. Schichtdicke, Kupferdicke.

● Glasfasergewebe: Das Glas in Glasfasern ist aufgrund des Webmusters durch die gesamte Platte hindurch intrinsisch abgestuft. Wichtiger ist jedoch ein Laminatdesign mit hoher Schichtdichte. Einige Designer ziehen Spread-Glass-Laminate für unternehmenskritische Anwendungen in Betracht.

Fertigungstoleranzen

FR4 kann bei der Leiterplattenherstellung solch geringen Toleranzen standhalten. Schichtdicke, Harzanteil und Füllstoffart führen dabei zu nanometergroßen Abweichungen im Dk-Wert. Nur diese oben genannten Parameter können vom Hersteller kontrolliert werden; geringe Abweichungen in diesem Parameter beeinträchtigen jedoch die endgültige Leistung des Bauteils bei Hochfrequenz- oder Präzisionsanwendungen.

Kontrollieren Sie die Dielektrizitätskonstante im Design

Dies bedeutet, dass die Stabilisierung bei Anwendungen mit hohen Geschwindigkeiten und Frequenzen von entscheidender Bedeutung ist. Die Kontrolle der Dielektrizitätskonstanten durch die Wahl des richtigen Materials und die richtige Anpassung der betreffenden Variablen kann die Signalintegrität stabilisieren.

FR4-Materialien mit niedrigem und hohem Dk-Wert – Wählen Sie das richtige FR4-Material

Es gibt Anbieter, die FR4-Laminate mit niedrigem und hohem Dk-Wert anbieten. Jeder von ihnen ist für bestimmte Anwendungen geeignet. FR4-Laminate mit niedrigem Dk-Wert ermöglichen die Umsetzung von Designs mit sehr hoher Frequenz ohne starke Phasenverluste oder -verzerrungen. Die Variante mit hohem Dk-Wert ist besonders hilfreich bei Designs mit kleinen Formfaktoren, da sie einen geringeren Abstand der Leiter ermöglicht, ohne das Signal stark zu beeinträchtigen.

Die richtige Auswahl des FR4-Materials gewährleistet Impedanzkontrolle und Signalintegrität für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Verlustarmes FR4-Material wird hauptsächlich zur Minimierung dielektrischer Verluste in Anwendungen wie Netzwerkinfrastruktur oder Telekommunikation mit hoher Datenübertragung eingesetzt. Impedanzkontrollierte Designs erfordern in der Regel einen konstanten Dk-Wert, um Signalreflexionen zu vermeiden. Daher stimmen sich Designer oft mit Herstellern ab, um die dielektrischen Materialeigenschaften streng zu kontrollieren.

Kontrolle der Dielektrizitätskonstante im PCB-Stapelaufbau

Die Dielektrizitätskonstante entlang des PCB-Aufbaus wird kontrolliert, damit Designer stabile Signalwege erreichen können. Zu den Techniken gehören Schichtmaterial, dielektrische Abstandshalter oder sogar veränderte Konfigurationen auf Kupferflächen. Dabei wird der gewünschte Dk-Wert vorausgesetzt. Bei Mehrschichtplatinen müssen Designer die kumulativen dielektrischen Effekte berücksichtigen, da jede Schicht zum Gesamt-Dk-Wert des Aufbaus beiträgt. Die meisten PCB-Designprogramme berücksichtigen diese Faktoren, sodass ein vorhersehbares Signalverhalten erwartet werden kann.

Messung und Modellierung der Dielektrizitätskonstante für das Hochfrequenz-PCB-Design

Daher erfordert das PCB-Design bei hohen Frequenzen die richtige Schätzung und Modellierung der Dielektrizitätskonstanten, damit effektive Tests und eine hohe Leistung möglich sind.

Techniken zur Messung der Dielektrizitätskonstante

1. Zeitbereichsreflektometrie-TDR: TDR misst die Dielektrizitätskonstante durch Beobachtung von Reflexionen in den Übertragungsleitungen der Leiterplatte. Die Ergebnisse liefern sehr genaue Impedanzwerte.

2. Netzwerkanalyse: Netzwerkanalysatoren messen die dielektrischen Eigenschaften, indem sie das zu prüfende Material mit einem breiten Frequenzspektrum beaufschlagen. Insbesondere Hochfrequenzen liefern dabei oft gute Einblicke in das dielektrische Verhalten.

3.  Resonanzkreistechniken: Resonanzkreise können auch Dk messen und die erhaltenen Werte mit angemessener Genauigkeit sind ausreichend, um zur Überprüfung verwendet zu werden.

Modellierung und Simulation

Moderne PCB-Designsoftware ermöglicht die Modellierung des dielektrischen Verhaltens. Finite-Elemente-Analysen und elektromagnetische 3D-Simulationen sagen heute mit hoher Genauigkeit voraus, wie sich das Material FR4 unter verschiedenen Frequenzen, Temperaturen und mechanischen Belastungen verhält. Designer können dann das Material und die Schichtanordnungen auswählen, die unter den Betriebsbedingungen stabil sind.

Beispiele

Hochgeschwindigkeits-PCB-Design

Ein niedriger Dk-Wert ist insbesondere für Hochleistungsrechner und Netzwerkanwendungen erforderlich, um die Signallatenz zu minimieren.

HF-Anwendungen

Verlustarmes FR408 in Verbindung mit FR4 wird hauptsächlich in HF- und Mikrowellenschaltungen verwendet, um die Signalintegrität und dielektrische Stabilität in den Hochfrequenzstufen sicherzustellen.

Fazit

Ein weiterer entscheidender Faktor für die Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzleistung von Leiterplatten ist die Dielektrizitätskonstante. Ein wichtiger Parameter ist die Steuerung der dielektrischen Eigenschaften, vor allem durch FR4, um Signalintegrität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Der aktuelle Trend geht zu fortschrittlicher Leiterplattentechnologie, daher muss das verwendete Material präzise mess- und modellierbar sein, um den aktuellen Anforderungen der Elektronik gerecht zu werden.