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La selección del material es fundamental para obtener un buen rendimiento y fiabilidad en la fabricación de una PCB. El FR4 sigue siendo el material más utilizado gracias al equilibrio que ofrece en sus propiedades eléctricas, mecánicas y conductividad térmica. De hecho, una de las características más importantes del FR4 reside en que la constante dieléctrica (Dk) influye considerablemente en el rendimiento de las PCB, especialmente a alta frecuencia. Conociendo la constante dieléctrica del FR4 y sus propiedades relacionadas, el diseñador de PCB siempre tomará decisiones racionales para lograr una adecuada estabilidad en la transferencia de señal dentro de la placa.
La constante dieléctrica, El término usado alternativamente con permitividad relativa., Es la capacidad de almacenamiento del material en términos de energía eléctrica en un campo eléctrico. Significa cuánta carga eléctrica puede retener un material en el vacío y qué representa la constante dieléctrica. Para materiales FR4 en aplicaciones de PCB, la constante dieléctrica representa la cantidad de señal que se propaga a través de la placa sin interferencias.
La constante dieléctrica influye prácticamente en las siguientes características del PCB.
● Transmisión de señalDado que los materiales con alta constante dieléctrica aumentan la capacitancia entre los conductores, desaceleran la transmisión de la señal. Esto podría ser útil en algunos diseños, pero la mayoría de las veces causa problemas en las PCB de alta velocidad y alta frecuencia, que suelen estar diseñadas para un flujo de señal fluido.
● Control de impedanciaDado que la constante dieléctrica determina el control de impedancia, es importante para este control. Elimina la reflexión y la distorsión en las señales. Un Dk estable estabiliza la impedancia entre las capas de la PCB.
● Pérdida de señalLas constantes dieléctricas más altas contribuyen en mayor medida a una mayor pérdida de señal. En la medida de lo posible, al aumentar las constantes dieléctricas, también se verá afectada la mayor calidad y la alta fiabilidad de los datos que se pueden transmitir. Es fundamental lograr este equilibrio, especialmente considerando la prioridad del diseño en cuanto a minimizar la pérdida de señales distantes.
El material FR4 tiene una constante dieléctrica de aproximadamente 4.0 a 4.5, aunque los valores pueden variar según la composición de la resina y las variaciones en la fabricación. El rango es moderado para diseños de alta frecuencia. Sin embargo, la demanda de aplicaciones más rápidas y de alta frecuencia en telecomunicaciones y procesamiento de datos ha llevado a los diseñadores a optar cada vez más por materiales con valores Dk más bajos para garantizar la integridad de la señal.
La velocidad y la estabilidad de la señal se ven afectadas por la constante dieléctrica, que los fabricantes/diseñadores de PCB deben tener en cuenta en las fases preliminares. FR4 provoca distorsiones de fase en las placas durante aplicaciones de alta frecuencia debido a las constantes dieléctricas de FR4, lo que crea diferencias de tiempo en las trayectorias que recorren las señales a diferentes intervalos de frecuencia para alcanzar puntos específicos, lo que resulta en pérdidas o errores en la información transmitida. FR4 se utiliza cuando la frecuencia es baja o media, o en otros casos, donde la fidelidad de la señal es menos importante.
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Otra característica muy crítica del comportamiento dieléctricour con respecto a la dependencia de la frecuencia es que el material cambia ligeramente con frecuencias mayores a 1 GHz. Esto reflejaría el hecho de que la constante dieléctrica de FR4 cambia a frecuencias mayores a 1 GHz y, por lo tanto, se refleja en la velocidad de la señal y la precisión de la fase.
Este efecto, aunque bajo, es mucho más crítico en aplicaciones digitales y de RF de alta velocidad, donde se desea una propagación uniforme de las señales. Sin embargo, en FR4, la dispersión presenta una ligera disminución de la constante dieléctrica al aumentar la frecuencia.
Si bien este grado de variación era aceptable para la mayoría de las aplicaciones convencionales, la gran cantidad de aplicaciones de alta frecuencia y 5G obligaron a los fabricantes a buscar materiales alternativos al FR4 convencional. De esta manera, el FR4 de baja pérdida y los materiales modificados presentaron valores bajos de DK, lo que permitió lograr un rendimiento mucho más estable en rangos de frecuencia mucho más amplios.
Propiedad |
Value alto |
Espesor (mm) |
1.6 |
Constante dieléctrica (εr) |
4.7 |
Tangente de pérdida (tan δ) |
0.019 |
Factor de disipación |
0.020 |
Resistividad superficial (MΩ) |
4 × 10 ^ 7 |
Resistividad volumétrica (MΩ·cm) |
10^8 |
Absorción de agua (%) |
0.10 |
Conductividad Térmica (W/m·K) |
0.3 |
Coeficiente de expansión térmica (ppm/°C) |
14–17 (dirección xy), 70 (dirección z) |
Temperatura de descomposición (°C) |
300 |
Resistencia a la flexión (MPa) |
415 |
Resistencia a la tracción (MPa) |
340 |
Fuerza de producción (MPa) |
310 |
Densidad (g / cm³) |
1.85 |
Rango de temperatura de funcionamiento (° C) |
-50 a 140 |
Rigidez dieléctrica (kV/mm) |
20 |
Clasificación de inflamabilidad |
UL 94V-0 |
El FR4 es un laminado epoxi reforzado con fibra de vidrio, conocido por sus equilibradas propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas. Esto proporciona propiedades equilibradas a nivel eléctrico, mecánico y térmico. El material más utilizado para PCB rígidos es el FR4. Sin duda, es el mejor debido a su excelente aislamiento, buena resistencia mecánica y resistencia a la absorción de humedad. El FR4 es una de las capas tejidas de fibra de vidrio impregnadas con un aglutinante de resina epoxi, lo que proporciona constantes dieléctricas estables y estabilidad estructural en el diseño multicapa de una PCB. Sus seguras propiedades dieléctricas siguen posicionando al FR4 como una de las mejores opciones disponibles en el mercado para todas las aplicaciones, desde electrónica de consumo básica hasta hardware industrial de alto rendimiento.
Como las aplicaciones de alta frecuencia y alta velocidad son cada vez más demandadas, los diseñadores de PCB ahora piden más variaciones de FR4 con estándares de rendimiento y costos de fabricación controlados.
FR4 depende de una serie de parámetros internos y externos relacionados con la constante dieléctrica. Una vez definidos algunos valores, estos pueden utilizarse para extraer conclusiones sobre cómo cambian los diseños con respecto a otros materiales o configuraciones.
Esto depende del tipo de resina y de los rellenos utilizados. Los fabricantes mezclan los rellenos de una manera particular, lo que altera el Dk del FR4. Esto, a su vez, es más adecuado para aplicaciones que requieren bajas pérdidas o alta frecuencia. Los rellenos se suelen añadir de forma que equilibren el desplazamiento del Dk con la frecuencia. Se emplearon diversas resinas para lograr una constante dieléctrica relativamente baja y unas características mucho más estables.
Depende de la frecuencia, por lo que es una de las características más predominantes en aplicaciones de alta velocidad y RF. En el análisis realizado en este trabajo, también está presente el efecto derivado de la dispersión. Por lo tanto, la constante dieléctrica debería ser mínima, ya que aumenta la frecuencia; por la misma razón, se observa y clasifica el tipo de material FR4, que varía, junto con los rangos de frecuencia aplicados. Todos estos efectos son relativamente pequeños, excepto en circuitos digitales elementales y frecuencias inferiores a aproximadamente 1 GHz. Sin embargo, cualquier desviación distinta de cero resulta en una desviación mínima incluso a altas frecuencias, lo que se sabe que provoca graves dificultades para la integridad de la señal de los circuitos.
Otros factores ambientales críticos para la determinación de las propiedades dieléctricas del FR4 son la humedad absorbida y la temperatura.
Temperatura: El FR4 aumenta la constante dieléctrica con el aumento de temperatura. Esto crea un problema en entornos muy calurosos, ya que las señales empiezan a perder rendimiento. Esto podría ser un problema para las placas de alta frecuencia, ya que los componentes involucrados operan a altas temperaturas.
● Absorción de humedad: Los materiales FR4 absorben la humedad presente en el ambiente. Esta absorción podría mejorar la constante dieléctrica, lo que podría causar degradación de la señal. Por ello, los recubrimientos pueden ser necesarios para las PCB cuando se utilizan en ambientes húmedos o en exteriores.
Esto también ayuda a determinar el atributo dieléctrico del laminado FR4. El grosor tanto del cobre como del laminado, combinado con la trama de fibra de vidrio, contribuye en cierta medida al comportamiento dieléctrico de una PCB.
● Espesor de la lámina y espesor del cobreLa capacitancia de variación ocupa el espesor de la pila de PCB por donde viaja la señal. Espesor de lámina Espesor de cobre
● Tejido de fibra de vidrioEl vidrio en la fibra de vidrio se gradúa intrínsecamente a través del tablero debido a su patrón de repetición de trama. Sin embargo, lo más importante es un diseño laminado con una alta frecuencia de capas. Algunos diseñadores consideran los laminados de vidrio extendido para aplicaciones críticas.
El FR4 puede soportar estas bajas tolerancias durante la fabricación de PCB. En este caso, el espesor de la capa, el porcentaje de resina y el tipo de relleno producirán desviaciones a escala nanométrica en Dk. El fabricante solo puede controlar estos parámetros; sin embargo, pequeñas variaciones en ellos afectan el rendimiento final de la pieza para aplicaciones de alta frecuencia o precisión.
Esto significa que la estabilización es crucial en aplicaciones que involucran altas velocidades y frecuencias. El control de las constantes dieléctricas mediante la elección adecuada del material y el ajuste correcto de las variables involucradas puede estabilizar la integridad de la señal.
Existen proveedores que ofrecen laminados FR4 con Dk bajo y alto. Cada uno es adecuado para diferentes aplicaciones. Los laminados FR4 con Dk bajo pueden utilizarse para ejecutar diseños con frecuencias muy altas sin pérdidas ni distorsiones de fase significativas. La variante con Dk alto sería muy útil en diseños con factores de forma pequeños, ya que ofrece una separación más estrecha entre los conductores sin interferir significativamente con la señal.
La selección adecuada del material FR4 garantiza el control de la impedancia y la integridad de la señal en aplicaciones de alta velocidad. El material FR4 de baja pérdida se utiliza principalmente para minimizar la pérdida dieléctrica en aplicaciones como infraestructura de red o telecomunicaciones, donde existe una alta transmisión de datos. Los diseños de impedancia controlada suelen requerir el mismo valor de Dk para evitar la reflexión de la señal; por lo tanto, los diseñadores suelen coordinarse con los fabricantes para controlar rigurosamente las propiedades del material dieléctrico.
La constante dieléctrica a lo largo del apilamiento de PCB se controla para que los diseñadores puedan lograr rutas de señal estables. Las técnicas incluyen la estratificación de material, espaciadores dieléctricos o incluso la modificación de las configuraciones en los planos de cobre. Se asume el Dk deseado. Las placas multicapa presentan un caso en el que los diseñadores deben considerar los efectos dieléctricos acumulativos, ya que cada capa contribuye al Dk total del apilamiento. La mayoría del software de diseño de PCB considera estos factores para que la señal se comporte de forma predecible.
MFrecuencia de medición (GHz) |
Constante dieléctrica calculada (simulación de circuito) |
Constante dieléctrica calculada (momento) |
2.76 |
4.20 |
4.22 |
5.54 |
4.16 |
4.16 |
8.36 |
4.09 |
4.10 |
11.21 |
4.00 |
4.03 |
14.04 |
3.97 |
4.00 |
16.73 |
3.98 |
4.06 |
Por lo tanto, el diseño de PCB a altas frecuencias exige la estimación y el modelado correctos de las constantes dieléctricas para poder lograr pruebas y un rendimiento efectivos.
1. Reflectometría en el dominio del tiempo (TDR)El TDR mide la constante dieléctrica observando las reflexiones que ocurren en las líneas de transmisión de la PCB. Los resultados contienen valores de impedancia muy precisos.
2. Análisis de redLos analizadores de red miden las propiedades dieléctricas aplicando un amplio rango de frecuencias al material en prueba. En este sentido, a veces se utilizan altas frecuencias para obtener una buena perspectiva del comportamiento dieléctrico.
3. Técnicas de circuitos de resonanciaLos circuitos de resonancia también pueden medir Dk, y los valores de precisión razonables que se obtienen son lo suficientemente abundantes para usarse para verificación.
El software moderno de diseño de PCB es potente para modelar el comportamiento dieléctrico. El análisis de elementos finitos y las simulaciones electromagnéticas 3D predicen ahora con gran precisión el comportamiento del material FR4 en diversas frecuencias, temperaturas y tensiones mecánicas. Los diseñadores pueden entonces elegir el material y las configuraciones de capas que sean estables en las condiciones de operación.
Diseño de PCB de alta velocidad
Low Dk es especialmente necesario para aplicaciones de redes y computación de alto rendimiento para minimizar la latencia de la señal.
Aplicaciones de radiofrecuencia
El FR408 de baja pérdida acoplado a FR4 se utiliza principalmente en circuitos de RF y microondas para garantizar la integridad de la señal y la estabilidad dieléctrica en las etapas de alta frecuencia.
Otro factor determinante que afecta el rendimiento de alta velocidad y alta frecuencia de las PCB es la constante dieléctrica. Un parámetro importante es el control de las propiedades dieléctricas, principalmente mediante FR4, para lograr la integridad y fiabilidad de la señal. La tendencia actual apunta hacia la tecnología avanzada de PCB, por lo que el material empleado debe contar con mediciones y modelado precisos para satisfacer las necesidades actuales de la electrónica.
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