Bij de beoordeling van PCB-materialen komen in vrijwel elk gegevensblad van een laminaat twee parameters voor: de diëlektrische constante (Dk) en de dissipatiefactor (Df). Deze waarden zijn van invloed op de signaalvoering, de impedantieregeling, het invoegverlies en de algehele prestaties van het circuit.
Bij elektronica met lage snelheden hebben kleine variaties in Dk en Df wellicht weinig invloed. In moderne communicatiesystemen, digitale producten met hoge snelheden, RF-schakelingen en apparatuur voor datacenters worden de materiaaleigenschappen echter steeds belangrijker.
Als ingenieurs begrijpen wat Dk en Df betekenen, kunnen ze geschikte materialen kiezen en problemen met de signaalintegriteit in een later stadium van het ontwerpproces voorkomen.
Inhoudsopgave
Wat is de diëlektrische constante (Dk)?
De diëlektrische constante, vaak afgekort als Dk, geeft aan hoe een isolerend materiaal elektrische energie opslaat.
Bij het ontwerpen van printplaten bepaalt Dk hoe snel signalen zich door het diëlektrische materiaal voortbewegen.
Een lagere Dk leidt over het algemeen tot:
- Snellere signaalvoortplanting
- Verminderde signaalvertraging
- Lagere parasitaire capaciteit
Een hogere Dk leidt doorgaans tot:
- Lagere signaalsnelheid
- Verhoogde capaciteit
- Compactere RF-structuren
Elk laminaatmateriaal heeft zijn eigen bereik aan diëlektrische constanten.
Enkele typische waarden zijn:
| Materiaal | Typisch Dk |
|---|---|
| FR4 | 4,2 – 4,8 |
| FR4 met hoge TG | 4.1 – 4.7 |
| Rogers 4350B | 3.48 |
| PTFE-materialen | 2.1 – 2.6 |
| Megtron 6 | 3,3 – 3,5 |
Zoals besproken in Uitleg over FR4-printplaatmateriaal, standaard FR4 blijft geschikt voor de meeste algemene elektronische toepassingen, ondanks dat het een hogere Dk heeft dan veel hoogfrequente materialen.
Wat is de dissipatiefactor (Df)?
De dissipatiefactor geeft aan hoeveel elektrische energie als warmte verloren gaat wanneer signalen door een diëlektrisch materiaal gaan.
Het wordt soms ook wel aangeduid als:
- Verliesfactor
- Tan δ
- Diëlektrisch verlies
Lagere Df-waarden duiden op minder signaalverlies.
Hogere Df-waarden leiden tot:
- Groter invoegverlies
- Verminderde signaalkwaliteit
- Kortere transmissieafstanden
Typische Df-waarden zijn onder meer:
| Materiaal | Typische Df |
| FR4 | 0,015 – 0,025 |
| FR4 met hoge TG | 0,012 – 0,020 |
| Rogers 4350B | 0.0037 |
| PTFE-materialen | 0,0009 – 0,002 |
| Megtron 6 | 0.002 |
Naarmate de gegevenssnelheden toenemen, wordt Df vaak belangrijker dan Dk.
Waarom Dk belangrijk is bij het ontwerpen van printplaten
Impedantieregeling
Structuren met geregelde impedantie zijn sterk afhankelijk van de waarden van de diëlektrische constante.
Veranderingen in Dk hebben rechtstreeks invloed op:
- Berekeningen van de spoorbreedte
- Ontwerp van differentiële paren
- Het gedrag van transmissielijnen
Zelfs kleine variaties in Dk kunnen de impedantie van het doel beïnvloeden.
Daarom moet bij de ontwikkeling van een stack-up altijd rekening worden gehouden met de werkelijke materiaalgegevens die door de fabrikant van het laminaat worden verstrekt.
De relatie tussen diëlektrische eigenschappen en de afstand tussen de lagen wordt ook besproken in PCB-kern- en prepreg-materialen.
Vertraging bij signaaloverdracht
De signaalsnelheid hangt af van de diëlektrische constante.
Materialen met een lagere Dk zorgen ervoor dat signalen sneller door de printplaat worden geleid.
Dit wordt steeds belangrijker in:
- Snelle netwerken
- AI-servers
- Apparatuur voor datacenters
- Backplane-systemen
Prestaties van RF-schakelingen
RF-ingenieurs kiezen materialen vaak mede op basis van de stabiliteit van Dk over verschillende frequentiebereiken.
Het diëlektrische gedrag verbetert:
- Antenneprestaties
- Filterontwerp
- Faseconsistentie
- Herhaalbaarheid van RF
Waarom Df belangrijk is bij het ontwerpen van systemen met hoge snelheden
Bij lagere frequenties is het diëlektrische verlies vaak verwaarloosbaar.
Naarmate de frequentie toeneemt, wordt Df echter een belangrijke factor bij het ontwerp.
Signaalverlies
Een hoge Df-waarde leidt tot een grotere demping over lange transmissietrajecten.
Dit kan problemen opleveren bij:
- 25G-netwerken
- 56G PAM4-systemen
- 112G-backplanes
- Snelle opslagapparaten
Prestaties van het oogdiagram
Materialen met minder signaalverlies zorgen ervoor dat de signaalgolfvormen zuiverder blijven.
Voordelen zijn onder andere:
- Verminderde jitter
- Een betere blikopener
- Verbeterde signaalintegriteit
Langere routeafstanden
Dankzij materialen met een lage signaalverlies kunnen ontwerpers hogesnelheidssignalen over grotere afstanden leiden zonder dat er overmatige compensatie nodig is.
Dk en Df zijn frequentieafhankelijk
Een veelgemaakte fout is te veronderstellen dat Dk en Df vaste waarden zijn.
In werkelijkheid variëren beide eigenschappen met:
- Frequentie
- Temperatuur
- Harssamenstelling
- Testmethodologie
Een materiaal kan bijvoorbeeld het volgende hebben:
- Dk gemeten bij 1 GHz
- Dk gemeten bij 10 GHz
- Dk gemeten met behulp van verschillende testmethoden
Ingenieurs dienen altijd de meetomstandigheden te controleren die in het materiaalgegevensblad worden vermeld.
Typische materiaalcategorieën
Standaard FR4
Geschikt voor:
- Consumentenelektronica ~4,3-4,8)
- Producten voor industriële besturing
- Printplaten voor algemeen gebruik
Voordelen:
- Kosteneffectief
- Overal verkrijgbaar
- Uitgewerkt productieproces
FR4 met hoge TG
Wordt vaak gekozen voor:
- Automobielelektronica
- Energiesystemen
- Server moederborden
Het belangrijkste voordeel is een verbeterde thermische betrouwbaarheid, en niet zozeer een drastisch lager diëlektrisch verlies.
Meer informatie is te vinden in FR4-printplaat met hoge TG-waarde.
Materialen met een lage verliesfactor
Ontworpen voor:
- Netwerkapparatuur
- Hardware voor datacenters
- AI-computerplatforms
Deze materialen bieden een goede balans tussen kosten en signaalprestaties.
RF- en microgolfmaterialen
Voorbeelden zijn:
- Rogers laminaat
- Materialen op basis van PTFE
- Taconic-materialen
Deze systemen hebben een zeer laag diëlektrisch verlies en een uitstekende stabiliteit bij hoge frequenties.
Overwegingen bij materiaalselectie
Bij de keuze van printplaatmaterialen mogen Dk en Df niet afzonderlijk worden beoordeeld.
Andere factoren zijn onder meer:
- Werkfrequentie
- Thermische vereisten
- Productiecapaciteit
- Kostendoelstellingen
- Betrouwbaarheidsverwachtingen
Zoals uitgelegd in Uitleg over PCB-laminaatmaterialen, bij de materiaalkeuze gaat het altijd om een afweging tussen elektrische prestaties en praktische productieoverwegingen.
Het beste materiaal is niet per se het materiaal met de laagste Df-waarde. Het is het materiaal dat aan de projecteisen voldoet en tegelijkertijd redelijke kosten en productiebetrouwbaarheid garandeert.
Veelvoorkomende misvattingen op het gebied van techniek
Een lagere Dk-waarde is altijd beter
Niet per se.
Veel ontwerpen werken perfect met FR4-materialen.
Materialen met een lagere Dk-waarde zijn alleen voordelig als de elektrische eisen de extra kosten rechtvaardigen.
Df is alleen van belang bij RF-ontwerp
Moderne digitale hogesnelheidssystemen kampen vaak met dezelfde problemen op het gebied van signaalverlies als RF-schakelingen.
Df is tegenwoordig een cruciaal aandachtspunt voor veel digitale toepassingen.
Alle FR4-materialen hebben dezelfde Dk- en Df-waarden
Verschillende fabrikanten en harssystemen kunnen aanzienlijk uiteenlopende diëlektrische eigenschappen opleveren.
Raadpleeg altijd het gegevensblad van het betreffende materiaal en vertrouw niet op algemene waarden.
FAQ
A: Dk is de diëlektrische constante van het materiaal. Deze beïnvloedt de signaalsnelheid, de impedantie en de capaciteit.
A: Df is de dissipatiefactor, die het diëlektrische verlies meet en aangeeft hoeveel signaalenergie in warmte wordt omgezet.
A: Beide zijn belangrijk, maar Df speelt vaak de doorslaggevende rol bij toepassingen met hoge snelheden en hoge frequenties, omdat het rechtstreeks van invloed is op het signaalverlies.
A: In vergelijking met gespecialiseerde RF-materialen heeft FR4 een relatief hoge Df-waarde, wat de prestaties bij zeer hoge frequenties kan beperken.
A: RF-materialen zijn zo ontworpen dat diëlektrische verliezen tot een minimum worden beperkt, waardoor de signaalkwaliteit over hoogfrequente transmissiepaden behouden blijft.