Costante Dielettrica della vetronite FR4 e le sue proprietà

Le schede elettroniche ad alta velocità e ad alta frequenza necessitano di calcoli di dispersione molto precisi per garantire l'integrità del segnale e un accurato ritardo di propagazione. La vetronite FR4 è il tipo di laminato per PCB più comune e le sue proprietà sono ben documentate. Abbiamo esaminato le proprietà più importanti del FR4, comprese la sua costante dielettrica, la conduttività termica e altro ancora. Altium Designer include un accurato calcolo del modello di Debye a banda larga per la costante dielettrica del FR4, nonché gli strumenti necessari per la progettazione PCB ad alta velocità.

ALTIUM DESIGNER

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Alla base del tuo circuito stampato (PCB) c’è la scelta del substrato isolante, tipicamente realizzato con un materiale chiamato vetronite FR4. La designazione "FR4" si riferisce alle proprietà ignifughe del materiale dielettrico, e al laminato epossidico rinforzato con fibra di vetro di tipo 4 utilizzato per costruire il substrato. Questo tipo di materiale laminato per PCB è altamente isolante e rigido; tutti i produttori di circuiti stampati sanno bene come utilizzare i laminati FR4 come materiale di base.

Una parte fondamentale della progettazione PCB su laminato FR4 è la comprensione delle proprietà di questo materiale, incluse le sue proprietà dielettriche e termiche. Con il giusto software di progettazione PCB e la giusta libreria di stack-up dei materiali, potrai definire un profilo d'impedenza accurato per il tuo PCB ad alta velocità ed eseguire simulazioni accurate dell'integrità del segnale. Altium Designer ti fornisce gli strumenti di progettazione stack-up necessari per includere la costante dielettrica e le proprietà termiche della vetronite FR4 nelle simulazioni, oltre a molte altre funzionalità per la progettazione del tuo prossimo PCB ad alta velocità.

La dispersione e la costante dielettrica del FR4

Tutti i materiali hanno una permittività elettrica, una grandezza fisica che quantifica la velocità con cui un segnale elettrico viaggia attraverso un materiale, nonché la quantità di carica elettrica che il materiale può immagazzinare in un dato volume. La permittività elettrica del vuoto è:

8.854 x 10-12 Farad/metro o Ɛ0

La velocità di propagazione del segnale si verifica in relazione alla velocità della luce nel vuoto, che è definita in termini di permittività relativa, o costante dielettrica. La costante dielettrica della vetronite FR4 varia da 3,8 a 4,8 a seconda del tipo di trama, dello spessore, del contenuto di resina e della rugosità della lamina di rame.

Oltre alla costante dielettrica della vetronite FR4, la disposizione di tracce e piani su un laminato PCB determina la costante dielettrica effettiva per i segnali che viaggiano in un'interconnessione. La velocità dei segnali che viaggiano su tracce microstrip superficiali o guide d'onda complanari è determinata da una certa costante dielettrica effettiva, che dipende a sua volta dalla geometria della traccia. Per poter determinare l'impedenza e la velocità di propagazione appropriate per i segnali su una traccia PCB, il software di progettazione PCB deve includere un'utilità di progettazione stack-up dotata di dati per una vasta gamma di materiali laminati PCB standard, inclusa la vetronite FR4.

Dissipazione nella costante dielettrica delle vetronite FR4

Le limitazioni diventano evidenti anche quando si utilizza la vetronite FR4 standard con applicazioni RF. Da un lato, la stabilità dielettrica può soffrire sulle frequenze più alte. Insieme a un fattore di dissipazione (Df) più elevato e perdite d'inserzione più alte alle frequenze delle microonde da 1 GHz a 15 GHz, le tracce utilizzate sulla vetronite FR4 hanno un'attenuazione maggiore alle radiofrequenze. Inoltre, lo spessore dell’FR4 influisce sull'effettiva costante dielettrica del PCB e sul maggiore adattamento d'impedenza richiesto per i circuiti RF. Quando si lavora con circuiti RF, la vetronite FR4 ad alte prestazioni, in grado di gestire più cicli di laminazione, e con buone caratteristiche di affidabilità, diventa la soluzione a questi problemi.

• Le misurazioni della costante dielettrica dell’FR4 possono rivelarsi difficili poiché i risultati variano rispetto al metodo di misurazione. Scopri di più sulla costante dielettrica del FR4 e sui materiali di substrato alternativi.
• Il calcolo dell’impedenza per le geometrie comuni, come le microstrip o le stripline, richiedono accurati modelli Debye a banda larga per la costante dielettrica dell’FR4. Scopri di più sulla dispersione nei materiali laminati FR4.
• Il bilanciamento della costante dielettrica del materiale FR4 con lo spessore del laminato PCB e la larghezza della traccia è un problema di difficile soluzione. Il giusto strumento per la gestione dello stack-up può però aiutarti a produrre calcoli accurati d'impedenza e di ritardo di propagazione. Scopri di più sull'ottimizzazione delle larghezze di traccia e del ritardo di propagazione con un risolutore di campo integrato.

Crea un profilo d'impedenza con modelli di rugosità del rame direttamente da uno stack-up di laminati PCB in Altium Designer. 

Proprietà meccaniche e termiche del laminato FR4 PCB

Quando si sceglie un materiale laminato PCB, non solo la costante dielettrica, ma anche le proprietà termiche e meccaniche diventano un aspetto di primaria importanza. Le proprietà dielettriche e le proprietà meccaniche di un materiale laminato FR4 dipendono anche dalla temperatura; la stabilità della temperatura può diventare quindi una considerazione primaria nella selezione dei materiali laminati. La tabella sottostante riassume le importanti proprietà meccaniche e termiche dei laminati FR4:

Poiché l'FR4 è un materiale anisotropo, anche le sue proprietà sono variabili. Per poter prendere in considerazione tutti questi fattori nel software di progettazione servono calcoli d'impedenza estremamente precisi, nonché un field solver integrato che utilizzi proprietà del materiale accurate. Un programma di progettazione PCB che include una libreria di materiali per lo stackup ti permette di scegliere laminati particolari, di selezionare laminati comuni o di determinare lo spessore del rame per il tuo substrato PCB. Puoi anche selezionare materiali alternativi per lo stack-up del tuo PCB per soddisfare i tuoi requisiti di gestione termica.

Tieni le schede al fresco con i giusti materiali laminati

Se la vetronite FR4 non fornisce le giuste proprietà per contenere la temperatura della scheda, i progettisti possono prendere in considerazione materiali di substrato alternativi per agevolare la gestione del calore. I materiali alternativi come le ceramiche e i PCB con nucleo metallico offrono una soluzione semplice, fornendo un'elevata conduttività termica capace di allontanare il calore dai componenti critici. I nuclei metallici possono inoltre essere impiegati negli stack-up di FR4, combinando le caratteristiche migliori di entrambi i materiali: notevole costante dielettrica ed elevata conduttività termica.

• La progettazione di routing e stack-up con core e materiali preimpregnati pre-preg crea complessità nella progettazione ad alta velocità e nella modellazione termica del tuo PCB. Scopri di più sul core e i laminati pre-preg nel tuo PCB. 
• I materiali ceramici stanno guadagnando popolarità di impiego in ambienti a temperatura elevata rispetto alla vetronite FR4. Scopri di più sull'utilizzo di materiali ceramici nel tuo PCB.
• Le proprietà della vetronite FR4 e di altri laminati nei PCB a uno strato e multistrato determinano la loro affidabilità termica e meccanica. Scopri di più sulle proprietà dei laminati PCB. 

Individua i punti caldi del tuo PCB con il PDN Analyzer di Altium Designer. 

La progettazione ad alta velocità e a impedenza controllata in Altium Designer

Data l'importanza della progettazione dello stack-up PCB, è fondamentale avere a disposizione un gestore di stack-up intuitivo, dotato di un modello di Debye a banda larga accurato per calcolare l'impedenza su un laminato PCB rivestito in rame. L'editor PCB di Altium Designer include il segnale, il piano di alimentazione, la maschera di saldatura, la serigrafia PCB e i layer fisici necessari per creare un vero circuito stampato e prepararsi alla produzione di PCB. L'editor PCB consente inoltre d'impostare la costante dielettrica e le proprietà termiche dei materiali laminati. È possibile utilizzare il Layer Stack Manager per aggiungere o rimuovere layer dielettrici, selezionare il FR4 come materiale dielettrico e impostare lo spessore del layer FR4.

Progettazione unificata con tutte le proprietà dell’FR4 in Altium Designer

Altium Designer offre molto più di un semplice calcolatore d’impedenza per la progettazione di stack-up PCB. Ti offre anche una serie di potenti strumenti di routing con un risolutore di campo integrato per calcolare il ritardo di propagazione. Questo è fondamentale per un'accurata corrispondenza della lunghezza della traccia, per la corrispondenza dell'impedenza e per garantire l'accoppiamento in coppie differenziali. Gli strumenti di simulazione ti permetteranno di collaudare il tuo progetto, mentre le funzionalità di documentazione ti aiuteranno a pianificare la produzione del PCB. Con Altium Designer, avrai tutto il necessario per costruire PCB di primordine.

• Solo Altium Designer include tutte le funzionalità di progettazione necessarie per creare schematici, layout PCB e documentazione di produzione in un unico programma. Scopri di più sull'ambiente di progettazione unificato di Altium Designer.
• Il risolutore di campi elettromagnetici 3D integrato include modelli standard per la costante dielettrica della vetronite FR4, incluso un modello per la dispersione e la dissipazione. Avrai tutti gli strumenti necessari per effettuare calcoli dell'impedenza accurati. Scopri di più sul Field solver integrato di Simberian in Altium Designer. 
• Potrai individuare i punti caldi direttamente nel layout PCB con lo strumento di analisi dell'erogazione di potenza. Altium Designer include queste funzionalità di simulazione come un'estensione capace di estrapolare i dati direttamente dal layout PCB. Scopri di più sul PDN Analyzer di Altium Designer. 

Gestisci i layer in modo ancora più efficiente con il Layer Stack Manager di Altium Designer.

Grazie al costo contenuto e alle sue proprietà meccaniche, la vetronite FR4 rimane la prima scelta come materiale di substrato per molti impieghi. Sebbene i team di progettazione cerchino sempre di ridurre al minimo i costi, l'ambiente di progettazione unificato di Altium Designer consente loro di progettare sia su vetronite FR4 che su altri laminati speciali. Progettare circuiti stampati per impieghi avanzati ad alta velocità è facile nell'ambiente unificato di Altium Designer.

Altium Designer di Altium 365 offre un livello d'integrazione senza precedenti nell'industria elettronica, fino ad ora relegata al mondo dello sviluppo software, consentendo ai progettisti di lavorare da casa e raggiungere un'efficienza senza precedenti.

Questo è solo un assaggio di tutto ciò che è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Contatta uno dei nostri esperti per ricevere una risposta alle tue domande o richiedi la prova gratuita di Altium Designer!