Технология PCB - Важность Dk и Df для высокочастотных цепей

Что означает Dk?

Диэлектрическая проницаемость Dk, также известная как емкость или относительная электроемкость, является важным показателем, характеризующим электрические характеристики диэлектрика или изоляционного материала. Dk - это отношение емкости диэлектрика к емкости вакуума в том же конденсаторе с тем же веществом и представляет собой относительную способность диэлектрика накапливать статическую энергию в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость Dk представляет собой степень поляризации диэлектрика, то есть способность связывать заряды, чем выше диэлектрическая проницаемость, тем сильнее способность связывать заряды. Для диэлектрических материалов, чем больше Dk, тем больше емкость.

Коэффициент потерь Df, также известный как коэффициент демпфирования или внутренняя диссипация (internal dissipation) или тангенс угла потерь (loss tangence), Df - это угол потери данных на печатной плате печатной платы, сигнал при передаче данных проходит не полностью по пути прохождения сигнала вперед, там будет часть материала через приток проводника, находящегося поблизости. Df используется для выражения соотношения между энергией, поступающей в близлежащие проводники (потерянной), и энергией, проходящей по сигнальному тракту.

Dk и Df часто являются ключевыми факторами, используемыми для оценки потерь в линии электропередачи.Dk и Df обычно изменяются в зависимости от частоты, температуры и влажности, Dk уменьшается с увеличением частоты, Df увеличивается с увеличением частоты, различные данные печатной платы Dk и Df зависят от внешней среды (частоты, температуры и влажности и т.д.). Скорость изменения различна, как правило, тем меньше скорость изменения данные на печатной плате более стабильны.

Как правило, для высокоскоростного проектирования мы используем высокоскоростные платы, то есть Df меньше, для двух типов плат, если Df почти одинаковый, выбирайте Dk small или large?

Выбор Dk заключается главным образом в том, чтобы увидеть, может ли быть удовлетворен импеданс, в дополнение к выбору Dk small в том же стеке при тех же требованиях к импедансу ширина линии будет немного шире, так что высокоскоростной сигнал будет лучше, тот же импеданс - это тот же случай, линия будет немного шире. ширина потерь в проводнике невелика, исходя из формулы потерь, потери Dk small будут относительно невелики, поэтому, если речь идет о высокоскоростных сигналах и линия выравнивания очень длинная, то, конечно, Dk small будет хорошим показателем.

Диэлектрик нашей печатной платы соответствует стандарту FR-4, по сравнению с диэлектрической проницаемостью воздуха она составляет 4,2-4,7. Эта диэлектрическая проницаемость изменяется в зависимости от температуры, в диапазоне температур 0-70 градусов Цельсия максимальный диапазон изменения может составлять до 20%. Изменение диэлектрической проницаемости приведет к изменению задержки на линии на 10%, чем выше температура, тем больше задержка. Чем выше температура, тем больше задержка. Диэлектрическая проницаемость также изменяется в зависимости от частоты сигнала, чем выше частота, тем меньше диэлектрическая проницаемость.

Высокочастотная печатная плата

Факторы, влияющие на диэлектрическую проницаемость Dk

1.Полярность

Общие неполярные характеристики, такие как PE, PP, PS и т.д.Число Dk невелико, около 2 ~ 3 ε0. Диэлектрическая проницаемость данных низкого уровня составляет 3 ~ 5; полярные данные Dk равны 4 ~ 10, сильная полярность еще больше;

Диэлектрическая проницаемость данных низкого уровня составляет 3-5; диэлектрическая проницаемость полярных данных составляет 4-10, а диэлектрическая проницаемость данных сильной полярности еще больше.Чем выше симметрия молекулярной цепи, тем меньше диэлектрическая проницаемость.

Например, диэлектрическая проницаемость F4 в пластмассах самая низкая - всего 2,1; PA6 выше - 4,7.

2.Частота электрического поля

Изменение частоты низкочастотного электрического поля оказывает незначительное влияние на Dk, высокочастотное электрическое поле оказывает большее влияние, поскольку для реакции поляризации требуется определенное время, поэтому при увеличении частоты высокочастотных данных скорость поляризации поляризованных данных недостаточна для реагирования на уменьшение диэлектрической проницаемости. частота уменьшается по мере увеличения диэлектрической проницаемости.Для неполяризованных данных, из-за симметрии молекулярной цепи, диэлектрическая проницаемость не чувствительна к изменению частоты.

3.Температура окружающей среды

При повышении температуры диэлектрическая проницаемость неполярных данных изменяется незначительно, в то время как диэлектрическая проницаемость полярных данных увеличивается, но когда температура повышается до определенного значения, она будет уменьшаться с повышением температуры; полярности чувствительны к изменению температуры.Это явление также наблюдается в неполярных данных, но изменение очень небольшое.Эти два вида данных в точках Tg или Tm будут иметь место при увеличении диэлектрической проницаемости.

4. Относительная влажность

При повышении влажности диэлектрическая проницаемость Dk увеличивается, что оказывает большее влияние на полярность данных.Это связано с тем, что вода является полярной средой.

Водяная пленка на поверхности пластика увеличивает поверхностную проводимость и способствует поляризации данных. При низкой частоте эффект поглощения воды усиливается. При увеличении частоты эффект уменьшается.

Зависимость между Dk и Df и частотой

Зависимость между Dk и Df и частотой

Чем выше частота, тем больше Dk монотонно уменьшается.

Чем выше частота, тем выше вероятность повышения Df, а затем незначительных колебаний.

В зависимости от коэффициента потерь Df подложки печатных плат можно разделить на пять уровней:

Стандартные потери (Df: 0,015-0,020)

Средние потери (Df: 0,010-0,015)

Низкие потери (Df: 0,0065-0,01)

Очень низкие потери (Df: 0,003-0,0065)

Сверхнизкие потери (Df:<0,003)

Чем меньше Df, тем ниже диэлектрические потери.

Потери в проводнике и диэлектрике, общие потери в линии передачи на печатной плате называются вносимыми потерями (α t).Это сумма потерь в проводнике (α c), диэлектрических потерь (α d), потерь на излучение (α r) и потерь на утечку (α l). Эффект потери герметичности незначителен из-за высокого объемного сопротивления печатной платы.

Потери на излучение - это количество энергии, теряемой в цепи из-за радиочастотного излучения.Потери зависят от частоты, диэлектрической проницаемости (Dk) и толщины.Для данной линии передачи потери выше при более высоких частотах. Для той же схемы, при использовании более тонкой подложки с более высоким значением Dk, потери излучения будут меньше и, как правило, незначительными.

С развитием технологий электронного проектирования и производства электронные изделия постепенно становятся более плотными, многофункциональными, тонкими и короткими, с высокой скоростью передачи. Кроме того, с быстрым развитием технологий миниатюризации микросхем и увеличением скорости передачи данных рабочая частота системы становится все выше и выше.Чтобы стать отличным электронным продуктом, требуется не только отличная схемотехника, но и хорошая технологичность, поскольку хорошая технологичность может уменьшить количество проблем в производстве, сократить сроки разработки продукта, снизить затраты на проектирование и, таким образом, повысить конкурентоспособность продукта. Поэтому для инженеров-конструкторов очень важно выбирать материалы печатных плат при проектировании электронных изделий.

Инженеры-проектировщики могут выбирать, при какой рабочей частоте схемы в диапазоне радиочастот объем печатной платы будет значительно уменьшен. Например, высокочастотные платы Rogers ro4835 специально разработаны для повышения стойкости к окислению. Это обеспечивает исключительную электрическую стабильность при длительном использовании при определенных температурах, сохраняя при этом технологические преимущества термореактивных смол FR4. Материал также обладает диэлектрической проницаемостью (DK), равной 3,48, диэлектрическими потерями (DF), равными 0,0037 при частоте 10 ГГц, и низким коэффициентом теплового расширения по оси z (CTE), что обеспечивает надежность в широком диапазоне условий обработки и эксплуатации сквозных отверстий в металле. Коэффициенты расширения материала по осям x и y аналогичны коэффициентам расширения меди, что обеспечивает превосходную стабильность размеров.

С развитием технологий связи от 2G, 2,5G, 3G до 4G, а теперь и 5G, пропускная способность передачи данных становится все больше и больше, требуемая полоса пропускания становится все шире и шире, а частота - все выше и выше; миниатюризация оборудования также является одной из будущих тенденций развития, поскольку оборудование поскольку размеры печатных плат становятся меньше, требуется, чтобы они имели более высокий коэффициент теплопроводности и более высокую диэлектрическую проницаемость Dk. Высокочастотные печатные платы в основном используются в мощных усилителях, антеннах базовых станций, системах глобального позиционирования (GPS), метеорологических радарах и спутниках, автомобильных радарах и датчиках.

Основными параметрами материалов печатных плат являются DK и DF, в высокочастотных печатных платах стабильность значения DK является гарантией надежности платы, а значение DF должно быть как можно меньше, чтобы уменьшить потери сигнала. Кроме того, в некоторых высокоскоростных и крупномасштабных системах передачи данных также используются высокочастотные печатные платы с низким DK и DF.