Stała dielektryczna FR4-Jeśli wiesz, czym jest pryzmat, masz pojęcie, jak rozprasza on światło. Większość płytek drukowanych wykorzystuje FR4 jako materiał dielektryczny, co wpływa na rozproszenie sygnału elektrycznego. Dyspersja jest również istotna w płytkach drukowanych o wysokiej prędkości i częstotliwości, ponieważ impulsy elektryczne poruszają się z różną prędkością po ścieżkach.
Dlatego, jeśli projektujesz taką płytę PCB, musisz poznać właściwości FR4. Dotyczy to stałej dielektrycznej FR4, która pomaga opracować modele analityczne pokazujące zachowanie sygnału.
Poniżej szczegółowo przyjrzeliśmy się właściwościom stałej dielektrycznej, więc spójrz!
Rodzaje materiałów dielektrycznych
Istnieją trzy kategorie materiałów oparte na przewodnictwie elektrycznym. Są to druty (przewodniki), półprzewodniki i izolatory. Dielektryki takie jak FR4 działają bardziej jak izolatory elektryczne, ponieważ hamują transmisję energii elektrycznej.
Jednakże dielektryki dzielą się na dwa rodzaje o bardzo różnych właściwościach. Są to:
Dielektryki aktywne.
Dielektryki aktywne przyjmują energię elektryczną, gdy poddane są działaniu zewnętrznego pola elektrycznego i odbierają przepływ pracy. Mogą przystosować się do przechowywania tej energii elektrycznej i należą do nich ferroelektryki, piezoelektryki itp.
Dielektryki Byrne
Dielektryki bierne ograniczają przepływ energii elektrycznej i działają dokładnie jak izolatory. Obejmują one materiały takie jak szkło, mika, FR4, itp.
Właściwości materiału dielektrycznego
Niemetaliczny o wysokiej impedancji
Wysoka energia aktywacji, która przekracza 3eV
Wyjątkowo silnie związane elektrony z jądrem
Bardzo niska przewodność z powodu braku elektronów
Możliwość przewidzenia charakteru dielektryka/zachowania polaryzującego za pomocą oceny dopuszczalności
Stała dielektryczna może określać intensywność polaryzacji dielektrycznej
Dyspersja FR4 i stała dielektryczna
Izolatory, dielektryki i wszystkie inne materiały posiadają pewną przenikalność elektryczną, która jest terminem określającym dwie rzeczy:
Prędkość, z jaką sygnały elektryczne rozchodzą się przez materiały
Ilość ładunków, które materiał może utrzymać w danym czasie.
Dla porównania, przenikalność elektryczna próżni lub wolnej przestrzeni wynosi:
Ɛ0 = 8,854 x 10-12 Faradów/metr.
Stała dielektryczna
Źródło: Wikimedia Commons.
Stała dielektryczna FR4 (Dk)
Dk dla FR4 waha się w granicach około 3,8 - 4,8 (średnio 4,3). Stała ta zależy jednak od zawartości żywicy, grubości, chropowatości folii miedzianej i stylu splotu szkła.
Czynniki takie jak rozmieszczenie śladów i płaszczyzn na materiale bazowym PCB determinują Dk dla impulsów propagujących w interkonektach.
Podobnie, stała dielektryczna i geometria śladu wpływa na impulsy na powierzchni falowodów koplanarnych lub ścieżek mikropaskowych.
Dlatego należy dokładnie określić prędkość propagacji i impedancję. Aby to zrobić, oprogramowanie do projektowania obwodów drukowanych powinno mieć projekt narzędziowy stack-up z następującymi danymi dla precyzyjnego określenia impedancji i prędkości.
Stopień palności
Stała dielektryczna
Standardowa grubość
Natężenie pola rozrywającego
Temperatura zeszklenia
Stała dielektryczna FR4-FR-4 Stała dielektryczna (Dk) Rozproszenie
FR-4 ma swoje ograniczenia, szczególnie w zastosowaniach RF, ponieważ stabilność dielektryczna materiału może ucierpieć przy wysokich częstotliwościach. Ponadto FR-4 ma wysoki współczynnik rozpraszania z dodatkowymi stratami wtrąceniowymi w zakresie częstotliwości mikrofalowych 1 - 15 GHz.
Obwód drukowany mieszacza mikrofalowego.
.
Ścieżki umieszczone na laminacie FR-4 również doświadczają większego tłumienia przy częstotliwościach radiowych.
Poza tym, grubość FR-4 wpływa na Dk obwodu i dopasowanie impedancji wymagane dla PCB RF.
To powiedziawszy, niektóre wysokowydajne materiały FR-4 oferują lepszą niezawodność, ponieważ mogą wytrzymać kilka cykli laminacji.
Warto zauważyć, że:
Zrównoważenie stałej dielektrycznej FR-4 z szerokością śladów na płycie i grubością laminatu nie jest łatwe. Jednak odpowiedni menedżer układania może pomóc w uzyskaniu precyzyjnych obliczeń opóźnienia propagacji i impedancji.
Pomiar stałej dielektrycznej FR-4 nie jest łatwy, ponieważ wyniki różnią się w zależności od metody pomiaru
Obliczenia impedancji standardowej geometrii śladów (jak linie paskowe) wymagają precyzyjnych szerokopasmowych modeli dyspersji Debye'a
Stała dielektryczna FR4-Różnica pomiędzy materiałem FR-4 a materiałem Rogers
Mimo, że ich zastosowanie jest takie samo, materiały Rogers i FR-4 mają wiele różnic, które pasują do różnych zastosowań. Do tych różnic należą:
Cena: Materiał FR-4 jest tańszy niż laminaty Rogersa
Stała dielektryczna: Jest niższa w FR-4 (około 4,3 - 4,4) i wyższa w Rogersie (6,14 - 11)
Wysokie częstotliwości: Rogers doskonale radzi sobie z wysokimi częstotliwościami, co czyni go idealnym dla obwodów RF
Niezmontowana płytka drukowana dla częstotliwości radiowych
Współczynnik rozpraszania: FR-4 ma wyższy współczynnik rozpraszania niż materiał Rogersa, co prowadzi do większych strat sygnału
Liczby Dk w stałości impedancji: Materiał Rogersa zapewnia szersze spektrum niż FR-4
Fluktuacja: Materiały Rogers mają mniejsze wahania w regulacji temperatury niż FR-4
Materiał PCB Duroid firmy Rogers
Źródło: Wikimedia Commons
Właściwości mechaniczne i termiczne FR4
Oprócz stałej dielektrycznej, warto rozważyć właściwości termiczne i mechaniczne materiału, z którego wykonany jest laminat. Właściwości materiału FR-4 zależą od temperatury, więc należy wziąć pod uwagę jego stabilność temperaturową.
Poniżej znajduje się podsumowanie właściwości materiału.
Właściwości mechaniczne
Stała dielektryczna FR4-Właściwości termiczne
Ograniczenia materiałów na płytki obwodów drukowanych FR4
FR-4 stwarza następujące problemy, gdy jest stosowany w płytkach drukowanych o dużej prędkości.
Stała dielektryczna FR4-Stabilność izolacji
Materiał FR-4 jest doskonałym izolatorem, ale ulega pogorszeniu, gdy ciepło, napięcie lub moc przekroczą pewne granice. W takich sytuacjach materiał ten zaczyna przewodzić prąd, co prowadzi do awarii.
Kontrolowana impedancja
W przeciwieństwie do szybkich materiałów płytowych, FR-4 nie oferuje jednolitego Dk. Jego tolerancja sięga 10%, podczas gdy w przypadku materiałów szybkobieżnych wynosi mniej niż 2%. W trakcie użytkowania, te różnice stanowią wyzwanie przy zachowaniu wartości impedancji, więc nie są idealnym wyborem dla płyt o kontrolowanej impedancji.
Stała dielektryczna FR4-Strategy sygnału
FR4 ma współczynnik rozpraszania 0,020, przekraczający 0,004 dla materiałów o wysokiej częstotliwości. W związku z tym powoduje większe straty sygnału, przez co nie jest idealnym wyborem dla aplikacji o wysokiej częstotliwości.
Dodatkowo, Df materiału FR-4 wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości, co prowadzi do znacznych strat.
Stabilność temperaturowa
Materiał FR-4 nie jest idealny dla urządzeń wystawionych na działanie wysokich temperatur, ponieważ jego Tg jest stosunkowo niski. Dlatego nie nadaje się do lutowania bezołowiowego, ponieważ temperatury rozpływu znacznie przekraczają możliwości FR-4.
Proces lutowania PCB w fabryce
Stała dielektryczna FR4-Wskazówki dotyczące wyboru właściwego materiału FR4
Przy wyborze podłoża FR4 należy skorzystać z poniższych wskazówek, które pomogą wybrać odpowiedni materiał.
Unikaj stosowania cienkich materiałów na płytki PCB z rowkami.
Płytka drukowana z rowkiem w kształcie litery V, z nacięciem w kształcie litery V
Wybierz materiał bazowy, który zapewnia jednolitą wartość Dk w szerokim zakresie częstotliwości. Zmiany Dk wpływają na pojemność pasożytniczą między śladem a każdym pobliskim przewodnikiem, w tym przewodnikiem referencyjnym.
Wybierz wysokowydajny materiał FR-4, taki jak Isola 370HR dla zastosowań, które przekraczają temperaturę pracy 150°C. Takie materiały mają niski współczynnik rozszerzalności i lepsze parametry termiczne niż standardowy FR4.
Spalona płytka PCB
Norma IPC-A-600 dla materiałów FR4
Stała dielektryczna FR4-Ekspozycja splotu
Ekspozycja splotu odnosi się do stanu, w którym nieuszkodzone włókna tkaniny pozostają odkryte. Jest to dopuszczalne w płytach klasy 1, 2 i 3, pod warunkiem, że przestrzeń między przewodami spełnia wymagania dotyczące minimalnych odstępów.
Tekstura splotu
Tekstura splotu to stan, w którym wzór splotu jest widoczny na powierzchni, ale włókna tkane pozostają pokryte żywicą. Jest ona dopuszczalna we wszystkich klasach.
Stała dielektryczna FR4-Measling
Odra to dyskretne białe plamy, które tworzą się na materiale podstawowym. Mimo że odbarwienie jest dopuszczalne we wszystkich zastosowaniach wysokonapięciowych, może ono obniżyć ogólną wydajność PCB.
Crazing
Seria białych, połączonych plam lub krzyżyków na materiale bazowym tworzy zjawisko spękania. Wskazuje ono na oddzielenie się włókien tkaniny szklanej od łączących je splotów.
Zjawisko to jest dopuszczalne w płytach klasy 1 pod warunkiem, że przestrzeń pomiędzy wzorami przewodzącymi jest nie mniejsza niż minimalny odstęp pomiędzy przewodnikami.
Dla klas 2 i 3:
Odstęp pomiędzy sąsiadującymi wzorami spękań nie powinien przekraczać 50% odległości pomiędzy sąsiadującymi wzorami przewodzącymi
Spękania na krawędziach płyty nie mają wpływu na minimalny odstęp między krawędzią a wzorem przewodzącym.
Stała dielektryczna FR4-Pęcherze/odpryski
Delaminacja odnosi się do oddzielenia przestrzeni pomiędzy płaszczyznami płytki drukowanej. Z drugiej strony, blister jest rozwarstwieniem ze zlokalizowanym spęcznieniem. Warunki dopuszczalności to:
Klasa 1
Pęcherz/rozwarstwienie nie powinno być mniejsze niż 25% odległości pomiędzy przewodnikami
Delaminacja nie powinna być bliżej krawędzi płytki
Obszar PCB dotknięty delaminacją nie powinien przekraczać 1% całkowitej powierzchni.
Klasa 2 i 3
Wszystkie warunki klasy 1
Odległość pomiędzy wzorami przewodzącymi nie może być mniejsza niż minimalny odstęp pomiędzy przewodnikami
.
Stała dielektryczna FR4-Materiały once
Materiały obce to substancje przewodzące lub nieprzewodzące wykryte na laminacie. Materiały przezroczyste są dopuszczalne we wszystkich klasach, pod warunkiem, że nie mają wpływu na właściwości termiczne i elektryczne płyty.
Drzewo norm IPC
Źródło: Wikimedia Commons.
Podsumowanie
FR4 jest najczęściej stosowanym materiałem laminatowym do produkcji PCB ze względu na jego przystępną cenę, trwałość, odporność na wodę i izolację. Jednak nie jest on najlepszy do pracy w warunkach wysokiej częstotliwości lub wysokiej temperatury.
Do takich warunków potrzebne są materiały alternatywne, takie jak Rogers, a my możemy budować płytki drukowane przy użyciu najlepszego materiału dla Twojego projektu. Skontaktuj się z nami już dziś, aby uzyskać więcej informacji.