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Introduzione
Durante la progettazione di PCB, considerare la costante dielettrica FR4 è un must per garantire un trasferimento stabile del segnale. Ha anche una maggiore influenza sul controllo dell'impedenza, sull'integrità di potenza, sulla diafonia e sulle EMI del circuito stampato.
Esploriamo i dettagli della costante dielettrica FR4 e scopriamo come influenza le prestazioni del PCB.
Cos'è FR4?
FR4 sta per 'Flame Retardant 4', un materiale ampiamente utilizzato nei PCB. Si tratta di un tipo di laminato in fibra di vetro rinforzato con resina epossidica con elevate proprietà isolanti in grado di resistere a temperature crescenti.
Inoltre, FR4 è economico e disponibile in diversi spessori (da 0.4 mm a 6 mm), il che lo rende adatto alla fabbricazione di PCB. Inoltre, sono accessibili e offrono una maggiore stabilità.
Costante dielettrica e proprietà Dk di FR4
La costante dielettrica (Dk) si riferisce alla capacità di un materiale isolante di immagazzinare energia elettrica in un campo elettrico. È definita come la proporzione della permittività di un materiale rispetto a quella dello spazio vuoto. Un Dk elevato significa una maggiore capacità di immagazzinamento elettrico, ma spesso causa un ritardo del segnale.
FR4 è ideale per PCB grazie al suo Dk stabile che mantiene una temperatura costante integrità del segnale. Tuttavia, la costante dielettrica varia per variazioni nelle proprietà FR4. Ad esempio, un alto contenuto di resina in FR4 determina un basso Dk. Di nuovo, l'assorbimento di acqua nel materiale può aumentare il valore Dk. Esploreremo l'impatto di questi fattori in modo approfondito nelle prossime discussioni.
Costante dielettrica tipica FR4
Non esiste un valore Dk costante per FR4, poiché varia in base ai fattori ambientali e compositivi del materiale. Per frequenze fino a 1 GHz, Dk FR4 varia in genere da 4.2 a 4.7. Tuttavia, varia per vari materiali e composizioni di laminati FR4.
La costante dielettrica comune per diversi materiali laminati FR4 è la seguente:
| Materiali laminati FR4 | Costante dielettrica (Dk) |
| IsolaFR408HR | Da 3.9 a 4.4 su 1 MHz a 10 GHz |
| Arlon CLET | 4.7 oltre 1 MHz a 10 GHz |
| TLY taconico | 4.6 oltre 100 MHz a 1 GHz |
| Nelco N4000-13 | 4.4 a 1 MHz, in calo a 4.1 a 1 GHz |
Fattori che influenzano la costante dielettrica di FR4
Frequenza
La relazione tra frequenza e costante dielettrica è inversamente proporzionale. Vale a dire che con l'aumento della frequenza, il valore di Dk diminuisce. Per un aumento della frequenza da 1 MHz a 10 GHz, la costante dielettrica può essere ridotta dal 10% al 20%. Questa riduzione ha un impatto notevole sulle applicazioni in cui l'integrità precisa del segnale è fondamentale.
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Frequenza ⇑ Costante dielettrica ⇓ |
Temperatura
Man mano che la temperatura dell'FR4 aumenta, si verificano cambiamenti nelle proprietà fisiche dell'FR4. Ciò alla fine sposta la costante dielettrica. Ecco perché per mantenere la consistenza Dk, è fondamentale mantenere la stabilità termica.
Composizione della resina
La costante dielettrica di FR4 è fortemente influenzata dal rapporto tra resina e lana di vetroL'elevato contenuto di resina riduce la costante dielettrica di FR4.
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Contenuto di resina ⇑ Costante dielettrica ⇓ |
Composizione del riempitivo
La miscelazione del filler può spostare il valore di Dk. La presenza di un elevato contenuto di filler nella resina aumenta la costante dielettrica. Tuttavia, l'intervallo di spostamento di Dk dipende anche dal tipo di materiale di filler. Quindi, è possibile regolare Dk aggiungendo filler adatto durante la produzione.
Tessuto in fibra di vetro
Il Dk della trama di vetro è molto più alto di quello della resina epossidica. Quindi, per una trama di vetro stretta, il Dk FR4 aumenta. Al contrario, una trama di vetro allentata riduce la costante dielettrica, accelerando la propagazione del segnale.
spessore dello strato
Di solito, con l'aumento dello spessore dello strato, la costante dielettrica di FR4 mostra più variazioni. Al contrario, uno strato più sottile offre un Dk più costante. Ad esempio, la lamina più sottile di FR4 1080 offre comunemente un valore Dk più stabile rispetto allo strato più spesso di FR4 2116. Tuttavia, questo dipende ampiamente dal rapporto resina-fibra di vetro, dal materiale di riempimento, ecc.
Contenuto di umidità
Con l'aumento del contenuto di umidità, la costante dielettrica di FR4 aumenta. Ciò avviene a causa del Dk più elevato dell'acqua rispetto a FR4.
Variazioni di produzione
La composizione del materiale e il processo di fabbricazione del materiale FR4 influenzano la sua costante dielettrica. Ciò comporta una variazione di Dk in diversi assi del PCB.
Importanza della costante dielettrica FR4 nella progettazione di PCB
Velocità di propagazione del segnale
In FR4 con Dk elevato, il campo elettrico ha un accoppiamento più forte con il materiale. Di conseguenza, l'aumento di Dk riduce la velocità di trasmissione del segnale. Quindi, per applicazioni ad alta frequenza come l'informatica, progettare il PCB mantenendo Dk basso. Ciò faciliterà l'aumento della velocità di propagazione del segnale.
Tuttavia, la costante dielettrica (Dk) di per sé non influisce sulla “praticità” di un circuito a bassa frequenza, ma influisce sulla velocità di trasmissione del segnale e il design del impedenza Caratteristiche.
Power Integrity
Quando si progetta un PCB, bisogna ricordare che la costante dielettrica influisce sul posizionamento dei condensatori del PCB. Di conseguenza, influenza direttamente la rete di distribuzione di potenza. Pertanto, assicurando un FR4 Dk stabile, è possibile mantenere una corretta erogazione di potenza ai componenti del PCB.
Prestazioni ad alta frequenza
FR4 solitamente ha un Dk elevato, che mostra valori non uniformi nelle applicazioni ad alta frequenza. Quindi, durante la progettazione di PCB per applicazioni ad alta frequenza, la scelta del materiale per PCB FR4 potrebbe non essere una scelta adatta nella maggior parte dei casi. Tuttavia, per alcune applicazioni, è possibile utilizzare FR4 a bassa perdita come Isola 370 HR, Isola FR408HR e Nelco N4000-13.
Controllo di impedenza
La variazione di Dk causa un disadattamento di impedenza che porta a problemi di segnale. Quindi, per evitare questo problema, è essenziale mantenere un Dk costante. Ciò offre tracce di impedenza controllate, assicurando un'integrità del segnale coerente.
Spaziatura e spessore delle tracce
La costante dielettrica gioca un ruolo più importante nella spaziatura e nella larghezza delle tracce del PCB. Ad esempio, un Dk più basso richiede tracce più larghe, mentre un Dk più alto necessita di tracce più strette. In questo modo, durante la progettazione del PCB, considerare il Dk di FR4 è molto importante in quanto mantiene la coerenza dell'impedenza e stabilizza il flusso del segnale.
Diafonia e interferenza elettromagnetica (EMI)
L'accoppiamento tra tracce PCB adiacenti è fortemente influenzato dalla costante dielettrica. Ciò alla fine influenza la diafonia e l'interferenza elettromagnetica (EMI).
Una costante dielettrica più elevata aumenta l'interazione del campo elettrico tra le tracce, portando a una maggiore diafonia. Al contrario, una costante dielettrica più bassa riduce l'accoppiamento indesiderato del segnale. Quindi, aiuta a mantenere l'integrità del segnale e riduce al minimo l'interferenza.
Controllo della costante dielettrica FR4: come ottenere il Dk desiderato?
Per controllare la costante dielettrica FR4, devi considerare i fattori che la influenzano. Ad esempio, adattare il contenuto di resina, regolare pressione e temperatura, aggiungere particelle di riempimento come la ceramica, ritardanti di fiamma bromurati, ecc.
Il Dk tipico per FR4 varia da circa 4.2 a 4.6. Tuttavia, per applicazioni che richiedono un Dk superiore o inferiore a questo intervallo, è possibile progettarle in base al valore desiderato.
Come ottenere un FR4 con basso Dk?
Per applicazioni in cui è necessaria una maggiore velocità del segnale, abbassare il Dk sarà utile. Ecco un metodo per abbassare la costante dielettrica di FR4:
- Modificare la concentrazione e la forma dell'elemento di riempimento
- Ridurre al minimo il contenuto di tessuto di vetro nella composizione del laminato.
- Ridurre la permeabilità complessiva introducendo vuoti d'aria nel laminato
- Utilizzare sistemi di resina epossidica con polarizzabilità inferiore
Come ottenere un elevato Dk FR4?
Ecco alcuni modi per ottenere un Dk elevato in FR4:
- Bilanciare la viscosità della resina e la polimerizzazione
- Include particelle ceramiche ad alto Dk
- Massimizzare il contenuto di tessuto di vetro
- Aggiungere ritardanti di fiamma non bromurati
Standard di prova per i valori Dk
Alcuni standard internazionali sono impostati per garantire che il Dk di FR4 soddisfi le specifiche. Questi sono i seguenti:
| Standard | Scopo |
| IPC-4103 | Specifiche dei materiali di base |
| IPC-TM-650 | Metodo di prova della scheda stampata |
| ASTM D150 | Misura la costante dielettrica (Dk). |
| ASTM D2520 | Misure Dk e tangente di perdita (Df) |
| ASTM D3380 | Misura Dk ad alta frequenza. |
Tecniche per la misurazione della costante dielettrica
Network Analysis
Questo metodo misura le proprietà dielettriche applicando un'ampia gamma di frequenze al materiale. Ciò consente di tracciare come il valore della costante dielettrica si sposta a frequenze variabili. È un metodo di test Dk affidabile, specialmente ad alta frequenza.
Riflettometria nel dominio del tempo-TDR
TDR si occupa di osservare la riflessione delle linee di trasmissione del PCB. Utilizzando questa tecnica di misurazione Dk, è possibile ottenere valori di impedenza precisi.
Tecniche di circuito di risonanza
Questo metodo viene utilizzato quando è necessaria una misurazione rapida di Dk. Determina la costante dielettrica analizzando il modo in cui il materiale influenza la frequenza di risonanza.
Modellazione e simulazione
Durante la progettazione di un PCB, gli ingegneri utilizzano tecniche diverse per testare l'impatto dell'FR4 Dk sul circuito stampato.
| Tecniche di simulazione elettromagnetica | Scopo | Metodi comuni | Usato per |
| Risolutori elettrostatici | Analisi della capacità, dei campi elettrici e degli effetti ESD |
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| Risolutori elettromagnetici a onda intera | Studio dell'impedenza, delle linee di trasmissione e dei segnali ad alta velocità |
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Con questi strumenti, gli ingegneri possono identificare le prestazioni di integrità del segnale, distribuzione di potenza e comportamento EMI. Quindi, analizzano e ottimizzano le prestazioni del circuito prima della fabbricazione.
Costante dielettrica FR4: limitazioni nella progettazione RF e ad alta velocità
Ad alte frequenze (oltre 1 GHz), la costante dielettrica in FR4 diminuisce. Ciò comporta problemi di integrità del segnale. Quindi, FR4 non è la scelta migliore per applicazioni che richiedono la trasmissione del segnale ad alta velocità.
Di nuovo, nei circuiti RF, l'adattamento preciso dell'impedenza è essenziale per evitare riflessioni del segnale. Ma FR4 mostra qui delle limitazioni poiché la sua costante dielettrica varia notevolmente con la frequenza.
Altre proprietà di FR4 diverse da Dk
Oltre alla costante dielettrica, ci sono molte altre proprietà che dovresti considerare quando usi FR4 come materiale per PCB. Sono le seguenti:
Proprietà meccaniche di FR4
FR4 ha un'eccezionale stabilità dimensionale. Di conseguenza, mantiene la sua forma e dimensione a temperature variabili. Inoltre, ha una grande resistenza all'impatto, rendendo il PCB FR4 robusto. Un'elevata resistenza alla trazione di 70,000 PSI contribuisce anche a questa robustezza. Inoltre, è anche abbastanza flessibile da resistere alle crepe.
| Immobili | Valore |
| Costante dielettrica (εr) | 4.7 |
| Resistività superficiale (MΩ) | 4 × 10^7 |
| Resistenza alla flessione (MPa) | 415 |
| Resa di rendimento (MPa) | 310 |
| Fattore di dissipazione | 0.020 |
| Resistività di volume (MΩ·cm) | 10 ^ 8 |
| Tangente di perdita (tan δ) | 0.019 |
| Resistenza alla trazione (PSI) | 70,000 |
| Conducibilità termica (W/m·K) | 0.3 |
| Spessore (mm) | 1.6 |
| Rigidità dielettrica (kV/mm) | 20 |
| Assorbimento dell'acqua (%) | 0.10 |
| Grado di infiammabilità | UL94 V-0 |
| Densità (g / cm³) | 1.85 |
Proprietà termiche di FR4
Conduttività termica
La conduttività termica dell'FR4 è scarsa e non offre una buona dispersione del calore. Di conseguenza, il surriscaldamento è un problema con i PCB realizzati in materiale FR4. Per ridurre al minimo questo effetto, con i PCB FR4 vengono utilizzati dissipatori di calore.
Temperatura di transizione vetrosa (Tg)
Tg determina la temperatura massima di esercizio di FR4. Varia da 130° C a 180° C. Se il valore diminuisce da questo intervallo, influisce sulle proprietà meccaniche di FR4.
Coefficiente di espansione termica (CTE)
Determina l'espansione di FR4 per variazione di temperatura. Il coefficiente di espansione termica (CTE) è, tuttavia, correlato alla temperatura di transizione vetrosa (Tg). Il CTE è basso per temperature inferiori a Tg e viceversa.
| Immobili | Valore |
| Conducibilità termica (W/m·K) | 0.3 |
| Temperatura di decomposizione (°C) | 300 |
| Intervallo di temperatura di esercizio (° C) | -50 a 140 |
| Temperatura di transizione vetrosa (Tg) | Da 130 ° C a 180 ° C |
| Coefficiente di dilatazione termica (ppm/°C) | 14–17 (direzione xy), 70 (direzione z) |
Come scegliere il valore DK corretto per il materiale FR4 nei PCB?
Per scegliere il giusto valore FR4 Dk per il tuo PCB, considera sempre la tua applicazione. Per applicazioni generali, FR4 Dk di circa 4.5 è adatto. Tuttavia, per circuiti RF/microonde, basso DK sono necessari materiali per garantire una rapida propagazione del segnale e un'integrità stabile del segnale.
FR4 ha solitamente un intervallo Dk di 4.2-4.7, il che lo rende meno ideale per applicazioni ad alta frequenza. Per i circuiti RF/microonde, sono preferiti materiali con un Dk inferiore (tipicamente nell'intervallo da 2 a 4 a 10 GHz), in quanto consentono prestazioni migliori ad alte frequenze. Pertanto, se si sta progettando un PCB per RF o microonde, è meglio utilizzare materiali realizzati per uso ad alta frequenza, come laminati a base di PTFE o specializzati, anziché il normale FR4.
Inoltre, dovresti considerare anche la dimensione del circuito, quando selezioni il giusto valore FR4 Dk. Con l'aumento del valore Dk, la linea di trasmissione si riduce. Di conseguenza, devi optare per una piccola dimensione del circuito per un Dk elevato.
Conclusione
La costante dielettrica di FR4 varia da produttore a produttore. Tuttavia, un fornitore affidabile può fornirti il PCB FR4 ideale con un Dk stabile che si adatta alla tua applicazione. In questo caso, PCBTok è la soluzione più affidabile!
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FAQs
Una costante dielettrica più elevata è migliore per i PCB?
Non proprio; una costante dielettrica più alta porta a una perdita di segnale, che ne ostacola notevolmente le prestazioni. Ecco perché un Dk basso è per lo più preferito, specialmente per applicazioni ad alta frequenza. Tuttavia, per applicazioni a bassa frequenza, un Dk più alto è accettabile.
È possibile utilizzare valori Dk diversi all'interno di un singolo stackup di PCB?
È un ottimo approccio usare diversi valori Dk all'interno di un singolo stack-up di PCB, poiché fornisce un migliore controllo dell'impedenza per segnali ad alta velocità. In questo modo, puoi ottenere l'impedenza desiderata.
Quanto varia fr4 Dk tra fornitori e lotti?
FR4 di solito rientra tra 4.2 e 4.7 a seconda di vari fattori come composizione, frequenza, temperatura, ecc. Tuttavia, nella produzione di FR4, la tolleranza Dk è di +/- 10%; è possibile ridurla a +/- 5% con un maggiore controllo sulla produzione.