FR4: диэлектрическая проницаемость и характеристики материала

Выбор материала является наиболее важной частью получения хорошей производительности и надежности при производстве печатной платы. FR4 остается наиболее часто используемым материалом из-за баланса, который он предлагает в электрических свойствах, механических свойствах FR4 и теплопроводности FR4. Действительно, одна из важных характеристик FR4 связана с тем фактом, что Dk, или диэлектрическая проницаемость, сильно влияет на производительность печатных плат, особенно на высоких частотах. Зная диэлектрическую проницаемость FR4 и связанные с ней свойства, проектировщик печатной платы всегда будет принимать рациональные решения относительно надлежащей стабильности передачи сигнала внутри платы.

Что такое диэлектрическая проницаемость FR4?

Диэлектрическая проницаемость, термин, альтернативно используемый с относительной диэлектрической проницаемостью, это способность материала хранить электрическую энергию в электрическом поле. Это означает, сколько электрического заряда может удерживать конкретный материал против вакуума, и что представляет собой диэлектрическая проницаемость. Для материалов FR4 в печатных платах диэлектрическая проницаемость показывает, сколько сигнала распространяется по плате без помех.

Влияние на производительность печатной платы FR4

Диэлектрическая проницаемость практически влияет на следующие характеристики печатной платы.

● Передача сигнала: Поскольку материалы с высокой диэлектрической проницаемостью увеличивают емкость между проводниками, они замедляют передачу сигнала. Это может быть полезно для некоторых конструкций, но в большинстве случаев это приводит к проблеме в печатных платах с высокой скоростью и высокой частотой, которые обычно предназначены для плавного прохождения сигнала.

● Контроль импеданса: Поскольку диэлектрическая проницаемость диктует управление импедансом, она учитывается в управлении импедансом. Она устраняет отражение и искажение сигналов. Стабильный Dk стабилизирует импеданс между слоями печатной платы.

● Потеря сигнала: Более высокие диэлектрические постоянные вносят больший вклад в более высокие потери сигнала. Насколько это возможно, при увеличении диэлектрических постоянных также пострадают повышенное качество и высокая надежность данных, которые он может передавать. Этот баланс должен быть достигнут, особенно в отношении приоритета конструкции относительно минимальных потерь по сравнению с удаленными сигналами.

Среднее значение и целостность сигнала

Материал FR4 имеет диэлектрическую проницаемость около 4.0–4.5, хотя значения могут меняться в зависимости от состава смолы и особенностей производства. Диапазон умеренный для высокочастотных конструкций. Однако спрос на более быстрые высокочастотные приложения в телекоммуникациях и обработке данных заставил проектировщиков все чаще выбирать материалы с более низкими значениями Dk для обеспечения целостности сигнала.

Скорость и стабильность сигнала будут зависеть от диэлектрической проницаемости, которую производители/проектировщики печатных плат должны учитывать на предварительных этапах. FR4 приводит к искажению фаз плат во время высокочастотного применения из-за диэлектрической проницаемости в FR4, создавая разницу во времени на путях, по которым сигналы с разными частотными интервалами достигают определенных точек, что приводит к потере или ошибкам в передаваемой информации. FR4 используется там, где частота низкая или средняя или иная, где точность сигнала менее важна.

О PCBasic

Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCБазовый  - это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий производитель сборки печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.

Диэлектрическая проницаемость FR4 в зависимости от частоты

Другая очень важная характеристика поведения диэлектрикаur относительно частотной зависимости заключается в том, что материал немного изменяется с частотами выше 1 ГГц. Это отражает тот факт, что диэлектрическая проницаемость FR4 изменяется на частотах выше 1 ГГц и, следовательно, отражается на скорости сигнала и точности фазы.

Такой эффект, хотя и низкий, гораздо более критичен в высокоскоростных цифровых и радиочастотных приложениях, где желательно равномерное распространение сигналов. Однако в FR4 дисперсия демонстрирует небольшое уменьшение диэлектрической проницаемости с ростом частоты.

Хотя такая степень вариации была приемлема для большинства обычных приложений, было много высокочастотных и 5G приложений, которые сделали неизбежным для производителей поиск альтернативных материалов, отличных от традиционно используемого материала FR4. Таким образом, FR4 с низкими потерями и модифицированные материалы имели небольшие значения DK, что позволяло достичь гораздо более стабильной производительности в гораздо более широких диапазонах частот.

Свойства материалов FR4

FR4 — это армированный стекловолокном эпоксидный ламинат, известный своими сбалансированными электрическими, механическими и термическими свойствами. Это обеспечивает сбалансированные свойства на электрическом, механическом и термическом уровнях. Наиболее часто используемый жесткий материал для печатных плат — это FR4. Конечно, он лучше всего подходит из-за своей превосходной изоляции, хорошей механической прочности и устойчивости к влагопоглощению. FR4 — это один из тканых слоев стекловолокна, пропитанного связующим веществом на основе эпоксидной смолы, что обеспечивает стабильные диэлектрические постоянные и структурную устойчивость в многослойной компоновке печатной платы. Его безопасные диэлектрические свойства продолжают отмечать FR4 как один из лучших доступных вариантов на рынке для всех областей применения, от бытовой электроники низкого уровня до тяжелого промышленного оборудования.

В связи с растущим спросом на высокочастотные и высокоскоростные приложения проектировщики печатных плат теперь ищут больше вариантов FR4 со стандартами производительности и контролируемыми производственными затратами.

Факторы, влияющие на диэлектрическую проницаемость FR4

FR4 опирается на ряд внутренних и внешних параметров, связанных с диэлектрической постоянной. После установки некоторых известных значений их можно использовать для выводов о том, как конструкции изменяются в зависимости от других материалов или конфигураций.

Содержимое: Смола или наполнитель

Это зависит от типа используемой смолы и используемых наполнителей. Производители смешивают наполнители определенным образом, поэтому это изменит Dk для FR4. Это, в свою очередь, будет наиболее подходящим для тех приложений, которые требуют либо низких потерь, либо высокой частоты. Наполнители обычно добавляются таким образом, чтобы сбалансировать сдвиг Dk с частотой. Он использовал ряд смол для достижения относительно низкой диэлектрической постоянной и гораздо более стабильной характеристики.

Зависимость от спектра

Он зависит от частоты, поэтому является одной из наиболее преобладающих особенностей высокоскоростных и радиочастотных приложений. В анализе, проведенном в этой работе, также присутствует эффект, возникающий из-за дисперсии. Следовательно, диэлектрическая проницаемость должна быть минимальной, поскольку она увеличивает частоту, но по той же причине тип материала FR4, который изменяется, рассматривается и классифицируется вместе с применяемыми к нему частотными диапазонами. Все эти эффекты относительно малы, за исключением элементарных цифровых схем и частот ниже примерно 1 ГГц. Однако любое ненулевое смещение приводит к минимальному смещению даже на высоких частотах, что, как известно, вызывает чрезвычайные трудности для целостности сигнала схем.

Воздействие на окружающую среду

Другими факторами окружающей среды, имеющими решающее значение для определения диэлектрических свойств FR4, являются поглощенная влага и температура.

● Температура: FR4 увеличивает диэлектрическую постоянную с ростом температуры. Это создает проблему в условиях обжига, поскольку сигналы начинают терять производительность. Это может стать проблемой для плат с более высокой частотой, поскольку задействованные компоненты работают при высокой температуре.

● Поглощение влаги: материалы FR4 поглощают влагу, которая может присутствовать в окружающей среде. Поглощенная влага может улучшить значение диэлектрической проницаемости; таким образом, может произойти ухудшение сигнала. Вот почему покрытия могут быть необходимы для печатных плат при использовании во влажных местах или в местах наружного применения.

Структурные и механистические причины

Это также помогает определить диэлектрические свойства ламината FR4. Толщина меди и ламината в сочетании с переплетением стекловолокна вносит определенный вклад в диэлектрические свойства печатной платы.

● Толщина пластины и толщина меди: Изменение емкости занимает толщину стопки печатной платы, по которой проходит сигнал. Толщина пластины Толщина меди.

● Стекловолокно Плетение: Стекло в стекловолокне по своей сути сортируется по всей доске из-за повторяющегося рисунка переплетения. Однако более важным является дизайн ламината с высокой частотой слоев. Некоторые проектировщики рассматривают ламинаты с распределенным стеклом для критически важных приложений.

Производственные допуски

FR4 может выдерживать такие низкие допуски при производстве печатных плат. Здесь толщина слоя, процент смолы и тип наполнителя дадут наномасштабные отклонения в Dk. Только эти вышеупомянутые параметры могут контролироваться производственным предприятием; однако незначительные изменения этого параметра влияют на конечную производительность этой детали для высокочастотных или точных приложений.

Контролируйте диэлектрическую проницаемость в конструкции

Это означает, что стабилизация имеет решающее значение в приложениях, связанных с высокими скоростями и частотами. Контроль диэлектрических постоянных посредством соответствующего выбора материала с надлежащей настройкой соответствующих переменных может стабилизировать целостность сигнала.

Материалы FR4 с низким и высоким Dk — выбирайте правильный материал FR4

Поставщики предлагают ламинаты FR4 с низким и высоким Dk. Каждый из них подходит для определенных приложений. Ламинаты FR4 с низким Dk могут использоваться для выполнения конструкций с очень высокой частотой без серьезных потерь или искажений фазы; вариант с высоким Dk был бы действительно полезен в конструкциях, где задействованы малые форм-факторы, и поэтому он обеспечивает более близкое расстояние между проводниками, не создавая значительных помех сигналу.

Правильный выбор материала FR4 обеспечивает контроль импеданса и целостность сигнала для высокоскоростных приложений. Материал FR4 с низкими потерями в основном используется для минимизации диэлектрических потерь в таких приложениях, как сетевая инфраструктура или телекоммуникации, где существует интенсивная передача данных. Конструкции с контролируемым импедансом обычно требуют одинакового значения Dk, чтобы избежать отражения сигнала; поэтому проектировщики часто координируют работу с производителями, чтобы иметь строго контролируемые свойства диэлектрического материала.

Контроль диэлектрической проницаемости при сборке печатных плат

Диэлектрическая проницаемость вдоль стека печатной платы контролируется, чтобы проектировщики могли нацеливаться на стабильные пути сигнала. Методы включают в себя наложение слоев материала, диэлектрические прокладки или даже изменение конфигураций на медных плоскостях. Это предполагает желаемый Dk. Многослойные платы представляют собой случай, когда проектировщикам необходимо думать о кумулятивных диэлектрических эффектах, поскольку каждый слой вносит вклад в общий Dk стека. Большинство программ для проектирования печатных плат учитывают такие факторы, чтобы можно было ожидать, что сигнал будет вести себя предсказуемо.

Измерение и моделирование диэлектрической проницаемости для проектирования высокочастотных печатных плат

Таким образом, проектирование печатных плат на высоких частотах требует правильной оценки и моделирования диэлектрических проницаемостей, чтобы можно было добиться эффективного тестирования и производительности.

Методы измерения диэлектрической проницаемости

1. Рефлектометрия во временной области (TDR): TDR измеряет диэлектрическую проницаемость, наблюдая отражения, происходящие в линиях передачи печатной платы. Результаты будут содержать очень точные значения импеданса.

2. Анализ сети: Сетевые анализаторы измеряют диэлектрические свойства, применяя широкий диапазон частот к испытываемому материалу. В этом отношении высокая частота, в частности, иногда используется для получения хорошего понимания поведения диэлектрика.

3.  Методы резонансного контура: Резонансные контуры также могут измерять Dk, и полученные при этом разумные значения точности вполне достаточны для использования в целях проверки.

Моделирование и симуляция

Современное программное обеспечение для проектирования печатных плат является мощным средством моделирования поведения диэлектриков. Конечно-элементный анализ и 3D-электромагнитное моделирование теперь с высокой степенью точности предсказывают, как материал FR4 будет вести себя в условиях диапазона частот, температур и механических напряжений. Затем проектировщики могут выбирать материал и конфигурации слоев, которые будут стабильны в условиях эксплуатации.

Примеры

Высокоскоростной дизайн печатной платы

Низкий показатель Dk особенно необходим для высокопроизводительных вычислений и сетевых приложений, чтобы минимизировать задержку сигнала.

Радиочастотные приложения

FR408 с низкими потерями в сочетании с FR4 в основном используется в ВЧ и СВЧ цепях для обеспечения целостности сигнала и диэлектрической стабильности в высокочастотных каскадах.

Заключение

Другим определяющим фактором, влияющим на высокоскоростные и высокочастотные характеристики печатной платы, является диэлектрическая проницаемость. Важным параметром является управление диэлектрическими свойствами, в первую очередь через FR4, для достижения целостности и надежности сигнала. Текущая тенденция направлена ​​на передовую технологию печатных плат, поэтому используемый материал должен иметь точные измерения и моделирование, чтобы соответствовать текущим потребностям электроники.