При оценке материалов для печатных плат практически в каждом техническом паспорте ламината указываются два параметра: диэлектрическая проницаемость (Dk) и коэффициент потерь (Df). Эти значения влияют на распространение сигнала, регулирование импеданса, вносимые потери и общие характеристики схемы.
В электронике с низкими скоростями незначительные колебания значений Dk и Df могут практически не оказывать влияния. Однако в современных системах связи, высокоскоростных цифровых устройствах, радиочастотных схемах и оборудовании центров обработки данных свойства материалов приобретают всё большее значение.
Понимание того, что означают параметры Dk и Df, помогает инженерам выбирать подходящие материалы и избегать проблем с целостностью сигнала на более поздних этапах процесса проектирования.
Ii. Содержание
Что такое диэлектрическая проницаемость (Dk)?
Диэлектрическая проницаемость, часто обозначаемая сокращением Dk, характеризует способность изоляционного материала накапливать электрическую энергию.
При проектировании печатных плат коэффициент диэлектрической проницаемости (Dk) определяет скорость распространения сигналов в диэлектрическом материале.
Более низкое значение Dk, как правило, приводит к:
- Более быстрое распространение сигнала
- Уменьшение задержки сигнала
- Снижение паразитной ёмкости
Более высокое значение Dk, как правило, приводит к:
- Более низкая скорость передачи сигнала
- Увеличение ёмкости
- Более компактные РЧ-структуры
Каждый ламинатный материал имеет свой диапазон диэлектрической проницаемости.
К типичным значениям относятся:
| Материалы по теме | Типичный Dk |
|---|---|
| Пт4 (фр.) | 4,2 – 4,8 |
| FR4 с высоким значением ТГ | 4.1 – 4.7 |
| Rogers 4350B | 3.48 |
| Материалы из ПТФЭ | 2.1 – 2.6 |
| Мегтрон 6 | 3,3 – 3,5 |
Как уже упоминалось в Обзор материала FR4 для печатных плат, стандартный FR4 по-прежнему подходит для большинства электронных устройств общего назначения, несмотря на то, что его коэффициент диэлектрической проницаемости (Dk) выше, чем у многих высокочастотных материалов.
Что такое коэффициент рассеивания (Df)?
Коэффициент рассеивания характеризует, какая часть электрической энергии теряется в виде тепла при прохождении сигналов через диэлектрический материал.
Иногда его называют:
- Тангенс потерь
- Тангенс δ
- Диэлектрические потери
Более низкие значения Df свидетельствуют о меньших потерях сигнала.
Более высокие значения Df приводят к:
- Более высокие вносимые потери
- Снижение качества сигнала
- Меньшие расстояния передачи
К типичным значениям Df относятся:
| Материалы по теме | Типичное значение Df |
| Пт4 (фр.) | 0,015 – 0,025 |
| FR4 с высоким значением ТГ | 0,012 – 0,020 |
| Rogers 4350B | 0.0037 |
| Материалы из ПТФЭ | 0,0009 – 0,002 |
| Мегтрон 6 | 0.002 |
По мере увеличения скорости передачи данных коэффициент Df часто становится более важным, чем Dk.
Почему Dk имеет значение при проектировании печатных плат
Контроль импеданса
Конструкции с регулируемым импедансом в значительной степени зависят от значений диэлектрической проницаемости.
Изменения значения Dk напрямую влияют на:
- Расчет ширины трассы
- Конструкция дифференциальной пары
- Характеристики линии передачи
Даже небольшие колебания Dk могут повлиять на импеданс целевого устройства.
По этой причине при разработке многослойной конструкции всегда следует учитывать фактические данные о материалах, предоставленные производителем ламината.
Взаимосвязь между диэлектрическими свойствами и расстоянием между слоями также рассматривается в Материалы для изготовления сердечников печатных плат и препрегов.
Задержка распространения сигнала
Скорость распространения сигнала зависит от диэлектрической проницаемости.
Материалы с более низким коэффициентом диэлектрической проницаемости (Dk) обеспечивают более быстрое распространение сигналов по печатной плате.
Это приобретает всё большее значение в следующих областях:
- Высокоскоростные сети
- Серверы искусственного интеллекта
- Оборудование для центров обработки данных
- Системы задней панели
Характеристики радиочастотных цепей
Инженеры-радиотехники часто выбирают материалы, частично ориентируясь на стабильность коэффициента диэлектрической проницаемости (Dk) в различных частотных диапазонах.
Улучшаются стабильные диэлектрические характеристики:
- Характеристики антенны
- Конструкция фильтра
- Фазовая согласованность
- Повторяемость РЧ
Почему Df имеет значение при проектировании высокоскоростных систем
На низких частотах диэлектрические потери зачастую пренебрежимо малы.
Однако по мере увеличения частоты Df становится одним из основных факторов, которые необходимо учитывать при проектировании.
Потеря сигнала.
Высокое значение Df приводит к большему затуханию на длинных трассах передачи.
Это может вызвать проблемы в:
- Сети 25G
- Системы 56G PAM4
- 112G-композитные платы
- Высокоскоростные устройства хранения данных
Характеристики диаграммы глаз
Материалы с меньшими потерями позволяют сохранить более чистые формы сигнала.
Преимущества включают:
- Снижение джиттера
- Лучше открыть глаза
- Улучшенная целостность сигнала
Более длинные маршруты
Материалы с низкими потерями позволяют разработчикам прокладывать высокоскоростные сигналы на большие расстояния без необходимости применения чрезмерного выравнивания.
Dk и Df зависят от частоты
Одной из распространенных ошибок является предположение, что Dk и Df являются фиксированными величинами.
На самом деле оба этих параметра зависят от:
- частота
- Температура
- Состав смолы
- Методика тестирования
Например, материал может обладать следующими свойствами:
- Dk, измеренное на частоте 1 ГГц
- Dk, измеренное на частоте 10 ГГц
- Dk, измеренное с использованием различных методов испытаний
Инженеры должны всегда проверять условия измерения, указанные в техническом паспорте материала.
Типичные категории материалов
Стандартный FR4
Подходит для:
- Потребительская электроника
- Продукция для промышленного управления
- Печатные платы общего назначения
Преимущества:
- Эффективная с точки зрения затрат
- Широко доступный
- Отлаженный производственный процесс
FR4 с высоким значением ТГ
Часто выбирают для:
- Автомобильная электроника
- Энергетические системы
- Материнские платы для серверов
Основным преимуществом является повышение термической надёжности, а не значительное снижение диэлектрических потерь.
Более подробную информацию можно найти в Печатная плата из FR4 с высоким значением TG.
Материалы с низкими потерями
Предназначено для:
- Сетевое оборудование
- Оборудование для центров обработки данных
- Вычислительные платформы на базе искусственного интеллекта
Эти материалы обеспечивают оптимальный баланс между стоимостью и характеристиками сигнала.
Материалы для радиочастотного и микроволнового диапазонов
Примеры включают:
- Ламинат Rogers
- Материалы на основе ПТФЭ
- Материалы Taconic
Эти системы отличаются очень низкими диэлектрическими потерями и превосходной стабильностью на высоких частотах.
Соображения по выбору материала
При выборе материалов для печатных плат показатели Dk и Df не следует оценивать отдельно друг от друга.
К другим факторам относятся:
- Рабочая частота
- Тепловые требования
- Производственные возможности
- Целевые показатели затрат
- Ожидания надежности
Как объясняется в Обзор материалов для ламинирования печатных плат, выбор материала всегда представляет собой компромисс между электрическими характеристиками и практическими соображениями, связанными с производством.
Лучший материал — это не обязательно тот, у которого самое низкое значение Df. Это тот материал, который соответствует требованиям проекта, при этом обеспечивая разумную стоимость и надежность производства.
Распространенные заблуждения в области инженерии
Чем ниже значение Dk, тем лучше
Не обязательно.
Многие конструкции отлично работают с материалами FR4.
Материалы с более низким коэффициентом Dk целесообразно использовать только в тех случаях, когда технические требования оправдывают дополнительные затраты.
Df имеет значение только при проектировании радиочастотных систем
Современные высокоскоростные цифровые системы зачастую сталкиваются с теми же проблемами потери сигнала, что и радиочастотные схемы.
В настоящее время Df является одним из ключевых факторов, которые необходимо учитывать при разработке многих цифровых приложений.
Все материалы FR4 имеют одинаковые значения Dk и Df
В зависимости от производителя и типа системы смол диэлектрические свойства могут значительно различаться.
Всегда ознакомьтесь с техническим паспортом конкретного материала, а не полагайтесь на общие значения.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
A: Dk — это диэлектрическая проницаемость материала. Она влияет на скорость распространения сигнала, импеданс и ёмкость.
A: Df — это коэффициент диссипации, который измеряет диэлектрические потери и показывает, какая доля энергии сигнала преобразуется в тепло.
A: Оба параметра важны, но Df часто становится определяющим фактором в высокоскоростных и высокочастотных системах, поскольку он напрямую влияет на потери сигнала.
A: По сравнению со специализированными РЧ-материалами FR4 имеет относительно высокое значение Df, что может ограничивать его характеристики на очень высоких частотах.
A: Материалы для радиочастотного диапазона разработаны с целью минимизации диэлектрических потерь, что способствует сохранению качества сигнала на высокочастотных линиях передачи.