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Introduction
Lors de la conception d'un circuit imprimé, il est indispensable de prendre en compte la constante diélectrique du FR4 pour garantir un transfert de signal stable. Elle a également une plus grande influence sur le contrôle de l'impédance, l'intégrité de l'alimentation, la diaphonie et les interférences électromagnétiques du circuit imprimé.
Explorons les tenants et aboutissants de la constante diélectrique FR4 et découvrons comment elle influence les performances du PCB.
Qu’est-ce que FR4 ?
FR4 signifie « Flame Retardant 4 », un matériau largement utilisé dans les circuits imprimés. Il s'agit d'un type de stratifié en fibre de verre renforcé à l'époxy doté de propriétés isolantes élevées qui peut résister à des températures croissantes.
De plus, FR4 est bon marché et disponible en différentes épaisseurs (de 0.4 mm à 6 mm), ce qui le rend adapté à la fabrication de circuits imprimés. De plus, ils sont abordables et offrent une plus grande stabilité.
Constante diélectrique et propriétés Dk du FR4
La constante diélectrique (Dk) fait référence à la capacité d'un matériau isolant à stocker de l'énergie électrique dans un champ électrique. Elle est définie comme la proportion de la permittivité d'un matériau par rapport à celle de l'espace vide. Une valeur Dk élevée signifie une plus grande capacité de stockage électrique, mais elle entraîne souvent un retard du signal.
Le FR4 est idéal pour les PCB en raison de son Dk stable qui maintient une l'intégrité du signal. Cependant, la constante diélectrique varie en fonction des variations des propriétés du FR4. Par exemple, une teneur élevée en résine dans le FR4 entraîne une faible valeur de Dk. Là encore, l'absorption d'eau dans le matériau peut augmenter la valeur de Dk. Nous explorerons en profondeur l'impact de ces facteurs dans les discussions à venir.
Constante diélectrique typique du FR4
Il n'existe pas de valeur Dk constante pour le FR4, car elle varie en fonction des facteurs de composition et d'environnement du matériau. Pour des fréquences allant jusqu'à 1 GHz, le Dk du FR4 varie généralement entre 4.2 et 4.7. Cependant, il diffère selon les matériaux et compositions stratifiés du FR4.
La constante diélectrique commune aux différents matériaux stratifiés FR4 est la suivante :
| Matériaux stratifiés FR4 | Constante diélectrique (Dk) |
| Isola FR408 HR | 3.9 à 4.4 sur 1 MHz à 10 GHz |
| Arlon CLET | 4.7 sur 1 MHz à 10 GHz |
| Taconique TLY | 4.6 sur 100 MHz à 1 GHz |
| Nelco N4000-13 | 4.4 à 1 MHz, tombant à 4.1 à 1 GHz |
Facteurs affectant la constante diélectrique du FR4
Fréquence
La relation entre fréquence et constante diélectrique est inversement proportionnelle. Autrement dit, avec l'augmentation de la fréquence, la valeur de Dk diminue. Pour une augmentation de fréquence de 1 MHz à 10 GHz, la constante diélectrique peut être réduite de 10 % à 20 %. Cette réduction a un impact considérable sur les applications où l'intégrité précise du signal est cruciale.
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Fréquence ⇑ Constante diélectrique ⇓ |
Température
À mesure que la température du FR4 augmente, des changements se produisent dans les propriétés physiques du FR4. Cela finit par déplacer la constante diélectrique. C'est pourquoi pour maintenir la cohérence de Dk, il est essentiel de maintenir la stabilité thermique.
Composition de la résine
La constante diélectrique du FR4 est grandement affectée par le rapport résine/ fibre de verreLa teneur élevée en résine diminue la constante diélectrique du FR4.
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Teneur en résine ⇑ Constante diélectrique ⇓ |
Composition de la charge
Le mélange de charges peut modifier la valeur de Dk. La présence d'une teneur élevée en charges dans la résine augmente la constante diélectrique. Cependant, la plage de décalage de Dk dépend également du type de matériau de charge. Vous pouvez donc ajuster le Dk en ajoutant une charge appropriée pendant la fabrication.
Tissage en fibre de verre
Le Dk du tissage de verre est beaucoup plus élevé que celui de la résine époxy. Ainsi, pour un tissage de verre serré, le Dk du FR4 augmente. En revanche, un tissage de verre lâche réduit la constante diélectrique, ce qui accélère la propagation du signal.
Epaisseur de la couche
En règle générale, la constante diélectrique du FR4 varie davantage avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche. En revanche, une couche plus fine offre une valeur Dk plus constante. Par exemple, la couche plus fine du FR4 1080 offre généralement une valeur Dk plus stable que la couche plus épaisse du FR4 2116. Cependant, cela dépend largement du rapport résine-fibre de verre, du matériau de remplissage, etc.
Teneur en humidité
Avec l'augmentation de la teneur en humidité, la constante diélectrique du FR4 augmente. Cela se produit en raison du Dk plus élevé de l'eau par rapport au FR4.
Variantes de fabrication
La composition du matériau FR4 et son procédé de fabrication affectent sa constante diélectrique. Cela entraîne une variation de Dk dans différents axes du PCB.
Importance de la constante diélectrique FR4 dans la conception des circuits imprimés
Vitesse de propagation du signal
Dans le FR4 à Dk élevé, le champ électrique a un couplage plus fort avec le matériau. Par conséquent, l'augmentation de Dk réduit la vitesse de transmission du signal. Ainsi, pour les applications à haute fréquence comme l'informatique, concevez le PCB en gardant Dk bas. Cela facilitera l'augmentation de la vitesse de propagation du signal.
Cependant, la constante diélectrique (Dk) elle-même n'affecte pas la « viabilité » d'un circuit basse fréquence, mais elle affecte la vitesse de transmission du signal et la conception du impédance caractéristiques.
Intégrité de l'alimentation
Lors de la conception d'un PCB, vous devez vous rappeler que la constante diélectrique affecte le placement des condensateurs du PCB. Par conséquent, elle influence directement le réseau de distribution d'énergie. Ainsi, en garantissant un FR4 Dk stable, vous pouvez maintenir une alimentation électrique appropriée aux composants du PCB.
Performances haute fréquence
Le FR4 a généralement un Dk élevé, ce qui montre des valeurs non uniformes dans les applications à haute fréquence. Ainsi, lors de la conception de circuits imprimés pour des applications à haute fréquence, le choix du matériau de circuit imprimé FR4 peut ne pas être un choix approprié dans la plupart des cas. Cependant, pour certaines applications, vous pouvez utiliser du FR4 à faible perte comme Île 370HR, Isola FR408HR et Nelco N4000-13.
Contrôle d'impédance
La variation de Dk entraîne une inadéquation d'impédance qui conduit à des problèmes de signal. Ainsi, pour éviter ce problème, il est essentiel de maintenir un Dk constant. Cela permet d'obtenir des traces d'impédance contrôlées, garantissant une intégrité constante du signal.
Espacement et épaisseur des traces
La constante diélectrique joue un rôle plus important dans l'espacement et la largeur des pistes du PCB. Par exemple, un Dk plus faible nécessite des pistes plus larges, tandis qu'un Dk plus élevé nécessite des pistes plus étroites. Ainsi, lors de la conception du PCB, il est très important de prendre en compte le Dk du FR4 car il maintient la cohérence de l'impédance et stabilise le flux du signal.
Diaphonie et interférences électromagnétiques (EMI)
Le couplage entre les pistes PCB adjacentes est fortement affecté par la constante diélectrique. Cela influence à terme la diaphonie et les interférences électromagnétiques (EMI).
Une constante diélectrique plus élevée augmente l'interaction du champ électrique entre les traces, ce qui entraîne une diaphonie plus importante. En revanche, une constante diélectrique plus faible réduit le couplage indésirable des signaux. Ainsi, elle contribue à maintenir l'intégrité du signal et à minimiser les interférences.
Contrôle de la constante diélectrique FR4 : comment obtenir le Dk souhaité ?
Pour contrôler la constante diélectrique du FR4, vous devez tenir compte des facteurs qui l'affectent. Par exemple, adapter la teneur en résine, ajuster la pression et la température, ajouter des particules de remplissage comme de la céramique, Retardateurs de flamme bromés, etc.
Le Dk typique pour FR4 varie d'environ 4.2 à 4.6. Cependant, pour les applications nécessitant un Dk supérieur ou inférieur à cette plage, vous pouvez les concevoir à la valeur souhaitée.
Comment obtenir un faible Dk FR4 ?
Pour les applications où vous avez besoin d'une vitesse de signal plus élevée, la réduction du Dk sera utile. Voici quelques méthodes pour réduire la constante diélectrique du FR4 :
- Modifier la concentration et la forme de l'élément de remplissage
- Réduire au minimum la teneur en tissu de verre dans la composition du stratifié.
- Réduire la perméabilité globale en introduisant des vides d'air dans le stratifié
- Utiliser des systèmes de résine époxy avec une polarisabilité plus faible
Comment obtenir un Dk FR4 élevé ?
Voici quelques moyens d'obtenir un Dk élevé dans FR4 :
- Équilibrer la viscosité et le durcissement de la résine
- Inclut des particules de céramique à haute Dk
- Maximiser la teneur en tissu de verre
- Ajouter des retardateurs de flamme non bromés
Normes de test pour les valeurs Dk
Certaines normes internationales ont été établies pour garantir que le Dk du FR4 soit conforme aux spécifications. Les voici :
| Standard | Objectif |
| CIB-4103 | Spécification des matériaux de base |
| IPC-TM-650 | Méthode de test du circuit imprimé |
| ASTM D150 | Mesure la constante diélectrique (Dk). |
| ASTM D2520 | Mesures Dk et tangente de perte (Df) |
| ASTM D3380 | Mesure la Dk haute fréquence. |
Techniques de mesure de la constante diélectrique
Analyse de réseau
Cette méthode mesure les propriétés diélectriques en appliquant une large gamme de fréquences au matériau. Cela vous permet de suivre la façon dont la valeur de la constante diélectrique se déplace à différentes fréquences. Il s'agit d'une méthode de test Dk fiable, en particulier à haute fréquence.
Réflectométrie dans le domaine temporel (TDR)
TDR traite de l'observation de la réflexion des lignes de transmission des PCB. En utilisant cette technique de mesure de Dk, vous pouvez obtenir des valeurs d'impédance précises.
Techniques de circuits de résonance
Cette méthode est utilisée lorsque vous avez besoin d'une mesure rapide de Dk. Elle détermine la constante diélectrique en analysant la façon dont le matériau affecte la fréquence de résonance.
Modélisation et simulation
Les ingénieurs utilisent différentes techniques pour tester l’impact du FR4 Dk sur le circuit imprimé lors de la conception d’un PCB.
| Techniques de simulation électromagnétique | Objectif | Méthodes courantes | Utilisé pour |
| Solveurs électrostatiques | Analyse de la capacité, des champs électriques et des effets ESD |
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| Solveurs électromagnétiques à onde complète | Étude de l'impédance, des lignes de transmission et des signaux à grande vitesse |
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Grâce à ces outils, les ingénieurs peuvent identifier les performances de l'intégrité du signal, de la distribution de puissance et du comportement EMI. Ils peuvent ainsi analyser et optimiser les performances des circuits avant leur fabrication.
Constante diélectrique FR4 : limites de la conception RF et à grande vitesse
Aux fréquences élevées (supérieures à 1 GHz), la constante diélectrique du FR4 diminue. Cela entraîne des problèmes d'intégrité du signal. Donc, FR4 n'est pas le meilleur choix pour les applications nécessitant une transmission de signaux à haut débit.
Dans les circuits RF, il est essentiel d'adapter précisément l'impédance pour éviter les réflexions du signal. Mais le FR4 montre ici ses limites, car sa constante diélectrique varie considérablement en fonction de la fréquence.
Autres propriétés du FR4 autres que Dk
Outre la constante diélectrique, il existe de nombreuses autres propriétés que vous devez prendre en compte lorsque vous utilisez le FR4 comme matériau pour votre PCB. Ces propriétés sont les suivantes :
Propriétés mécaniques du FR4
Le FR4 présente une stabilité dimensionnelle exceptionnelle. Par conséquent, il conserve sa forme et sa taille à des températures variables. De plus, il présente une grande résistance aux chocs, ce qui rend le PCB FR4 robuste. Une résistance à la traction élevée de 70,000 XNUMX PSI contribue également à cette robustesse. De plus, il est également suffisamment flexible pour résister aux fissures.
| Propriété | Valeur |
| Constante diélectrique (εr) | 4.7 |
| Résistivité de surface (MΩ) | 4 × 10 ^ 7 |
| Résistance à la flexion (MPa) | 415 |
| Limite d'élasticité (MPa) | 310 |
| Facteur de dissipation | 0.020 |
| Résistivité volumique (MΩ·cm) | 10 ^ 8 |
| Tangente de perte (tan δ) | 0.019 |
| Résistance à la traction (PSI) | 70,000 |
| Conductivité thermique (W/m·K) | 0.3 |
| Epaisseur (mm) | 1.6 |
| Rigidité diélectrique (kV/mm) | 20 |
| Absorption de l'eau (%) | 0.10 |
| Indice d'inflammabilité | UL 94 V-0 |
| Densité (g / cm³) | 1.85 |
Propriétés thermiques du FR4
Conductivité thermique
La conductivité thermique du FR4 est médiocre et il n'offre pas une bonne dispersion de la chaleur. Par conséquent, la surchauffe est un problème avec les PCB fabriqués à partir de matériau FR4. Pour minimiser cet effet, des dissipateurs thermiques sont utilisés avec les PCB FR4.
Température de transition vitreuse (Tg)
La Tg détermine la température maximale de fonctionnement du FR4. Elle varie de 130° C à 180° C. Si la valeur descend en dessous de cette plage, elle affecte les propriétés mécaniques du FR4.
Coefficient de Dilatation Thermique (CTE)
Il détermine la dilatation du FR4 en fonction des variations de température. Le coefficient de dilatation thermique (CTE) est cependant lié à la température de transition vitreuse (Tg). Le CTE est faible pour les températures inférieures à Tg et vice-versa.
| Propriété | Valeur |
| Conductivité thermique (W/m·K) | 0.3 |
| Température de décomposition (°C) | 300 |
| Plage de température de fonctionnement (° C) | -50 à 140 |
| Température de transition vitreuse (Tg) | 130 ° C à 180 ° C |
| Coefficient de dilatation thermique (ppm/°C) | 14–17 (direction xy), 70 (direction z) |
Comment choisir la bonne valeur DK pour le matériau FR4 dans le PCB ?
Pour choisir la valeur Dk du FR4 adaptée à votre circuit imprimé, tenez toujours compte de votre application. Pour une application générale, un Dk du FR4 d'environ 4.5 convient. Cependant, pour les circuits RF/micro-ondes, faible Dk des matériaux sont nécessaires pour assurer une propagation rapide du signal et une intégrité stable du signal.
Le FR4 a généralement une plage Dk de 4.2 à 4.7, ce qui le rend moins idéal pour les applications à haute fréquence. Pour les circuits RF/micro-ondes, les matériaux avec un Dk inférieur (généralement de l'ordre de 2 à 4 à 10 GHz) sont préférés, car ils permettent de meilleures performances à hautes fréquences. Par conséquent, si vous concevez un PCB pour RF ou micro-ondes, il est préférable d'utiliser des matériaux conçus pour une utilisation à haute fréquence, comme des stratifiés à base de PTFE ou spécialisés, plutôt que du FR4 ordinaire.
De plus, vous devez également tenir compte de la taille du circuit lors de la sélection de la valeur Dk FR4 appropriée. Plus la valeur Dk augmente, plus la ligne de transmission se réduit. Par conséquent, vous devez opter pour une petite taille de circuit pour un Dk élevé.
Conclusion
La constante diélectrique du FR4 varie d'un fabricant à l'autre. Cependant, un fournisseur fiable peut vous fournir le PCB FR4 idéal avec un Dk stable qui convient à votre application. Dans ce cas, PCBTok est votre solution la plus fiable !
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FAQs
Une constante diélectrique plus élevée est-elle meilleure pour les PCB ?
Pas vraiment ; une constante diélectrique plus élevée entraîne une perte de signal, ce qui nuit considérablement à ses performances. C'est pourquoi un faible Dk est généralement préféré, en particulier pour les applications à haute fréquence. Cependant, pour les applications à basse fréquence, un Dk plus élevé est acceptable.
Pouvez-vous utiliser différentes valeurs DK dans un seul empilement de circuits imprimés ?
Il est très judicieux d'utiliser différentes valeurs Dk au sein d'un même empilement de circuits imprimés, car cela permet un meilleur contrôle de l'impédance pour les signaux à haut débit. De cette façon, vous pouvez obtenir l'impédance souhaitée.
Dans quelle mesure le fr4 Dk varie-t-il entre les fournisseurs et les lots ?
Le FR4 se situe généralement entre 4.2 et 4.7 en fonction de divers facteurs tels que la composition, la fréquence, la température, etc. Cependant, dans la fabrication du FR4, +/- 10 % est la tolérance Dk ; vous pouvez la réduire à +/- 5 % avec un meilleur contrôle sur la fabrication.