Costante Dielettrica della vetronite FR4 e le sue proprietà

Zachariah Peterson
|  Creato: July 29, 2021
Circuit Board Design

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.

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Alla base del tuo 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 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 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 costante dielettrica e la dispersione della vetronite 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 DELLA 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.

Altium Designer’s impedance controlled PCB design toolsCrea 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

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.

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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.

Layer Stack Manage for multilayer PCBs in Altium DesignerGestisci 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. Visita la pagina del prodotto per visionare una descrizione più approfondita delle funzionalità o seguire uno dei corsi on demand.

Indice d'infiammabilità

UL94-V0

Costante dielettrica

3,3-4,8 (dipende dal tipo di trama, dal contenuto di resina e dalla composizione del materiale)

Rigidità dielettrica

Circa 20 kV/mm

Spessore standard

1,57 mm

Temperatura di transizione vetrosa

~130 °C (laminati a bassa Tg) o ~170 °C (laminati ad alta Tg)

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Ottimizza la tua efficienza nella progettazione PCB con Altium Designer. Usa i modelli di progetto nel tuo processo di progettazione PCB per facilitare le progettazioni future.

Previeni l'usura del rame e i cortocircuiti con la progettazione basata su regole. I cortocircuiti in rame possono essere individuati con il collaudo. Definisci i requisiti di collaudo nel tuo software di progettazione PCB.

Strumenti di progettazione PCB ottimizzati con un avanzato editor di file Gerber gratuito. Per assicurare il successo durante la produzione del tuo progetto PCB, hai bisogno dei più recenti formati Gerber X2 disponili nell'editor di file Gerber gratuito tra i tuoi strumenti di progettazione PCB.

Come costruire un circuito stampato con il programma di progettazione PCB di Altium. Una volta appreso come costruire un circuito stampato, puoi mettere in pratica le tue conoscenze con Altium Designer.

Progetta secondo i requisiti di spessore della scheda PCB. I progettisti di PCB di oggi lavorano con tecnologie di progettazione diverse e hanno bisogno di strumenti di progettazione PCB in grado di aiutarli con gli stack-up di schede. Che si tratti di schede a due strati, HDI multistrato con microvia o design rigidi-flessibili, Altium Designer è lo strumento giusto per aiutarti con lo spessore della tua scheda PCB.

Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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