Wenn Sie schon einmal versucht haben, die Impedanz eines FR4-Stapels abzustimmen, und feststellen mussten, dass die Zahlen abdriften, sind Sie bereits auf dieses Problem gestoßen.

FR4 hat nicht nur eine einzige Dielektrizitätskonstante. Der Wert ändert sich mit der Frequenz, und diese Änderung reicht aus, um die Impedanz zu beeinflussen, vor allem, wenn Sie über digitale Designs mit niedriger Geschwindigkeit hinausgehen.

In den meisten Datenblättern steht immer noch etwas wie Er = 4,2-4,6, aber diese Zahl ist nur unter bestimmten Testbedingungen sinnvoll. Bei realen Entwürfen kommt es darauf an, wie sich Er in Ihrem tatsächlichen Frequenzbereich verhält.

Für einen umfassenderen Überblick über das Material siehe FR4 PCB Material Leitfaden: Eigenschaften, Vorteile und Anwendungen.

Was ist die Dielektrizitätskonstante (Er)?

Die Dielektrizitätskonstante (Er) beschreibt, wie ein Material elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichert.

Beim PCB-Design wirkt sich Er direkt aus:

• Signalausbreitungsgeschwindigkeit
• Wellenwiderstand
• Trace-Verzögerung

Höheres Er → langsamere Signalausbreitung → kürzere Wellenlänge im Material.

Aus diesem Grund wird Er in jedem Impedanz-Rechner angezeigt.

Warum Er sich mit der Frequenz ändert

FR4 ist kein einheitliches Material. Es ist eine Mischung aus:

• Glasfaser (geringer Verlust, niedriger Er)
• Epoxidharz (höherer Verlust, höheres Er)

Aufgrund dieser Struktur ist sein elektrisches Verhalten frequenzabhängig.

Mit zunehmender Frequenz:

• Polarisationsmechanismen im Inneren des Harzes ändern sich
• Die effektive Dielektrizitätskonstante tendiert zu leicht abnehmen
• der dielektrische Verlust wird deutlicher

Praktisch gesehen:
Er bei 100 MHz ist nicht dasselbe wie Er bei mehreren GHz.

Typische Er-Werte im Vergleich zur Frequenz

Es gibt keine allgemeingültige Kurve, aber der allgemeine Trend sieht folgendermaßen aus:

Frequenzbereich	Typische FR4 Er
1 MHz	~4.5-4.8
100 MHz	~4.3-4.6
1 GHz	~4.2-4.5
5-10 GHz	~4.0-4.3

Die tatsächlichen Werte variieren je nach Lieferant und Harzsystem.

Dies ist einer der Gründe, warum Hochfrequenzdesigns oft von FR4 abweichen.

Mehr dazu hier: FR4 vs. Rogers PCB für Hochfrequenzdesign.

Auswirkungen auf die Impedanzkontrolle

Wenn Sie bei Ihren Berechnungen von einem festen Er ausgehen, wird Ihre Impedanz nicht exakt sein.

Die Auswirkungen zeigen sich als:

• Diskrepanz zwischen berechneter und tatsächlicher Impedanz
• Signalreflexionen
• verschlechterte Augendiagramme (bei Hochgeschwindigkeitsverbindungen)

Selbst eine kleine Er-Verschiebung kann die Impedanz um ein paar Ohm verändern, was bei impedanzkontrollierten Designs von Bedeutung ist.

Überlegungen zum Stackup-Design werden behandelt in FR4 PCB Stackup Design Leitfaden.

Er-Variationen innerhalb der gleichen Leiterplatte

Ein weiteres praktisches Problem: Er ist nicht vollkommen einheitlich in der Breite.

Denn Spuren können sich überschlagen:

• harzreichere Gebiete
• glasreichere Gebiete

können Sie eine lokale Variante erhalten.

Dies wird manchmal als die “Fasergewebseffekt”.

Es kann dazu führen:

• Schräglage zwischen Differentialpaaren
• kleine Impedanzschwankungen entlang der Leiterbahn

Das ist nicht immer kritisch, aber es zeigt sich bei Hochgeschwindigkeitsdesigns.

Wie man mit FR4 Er in echten Designs arbeitet

Praktische Hinweise von echten Designs

Ein paar Dinge, die die Leute überraschen können:

• Die Er in Simulationswerkzeugen entspricht oft nicht den gefertigten Leiterplatten
• Verschiedene Anbieter können deutlich unterschiedliche Ergebnisse liefern
• Prepreg und Kernmaterial verhalten sich nicht identisch
• Die Rauheit des Kupfers kann das effektive dielektrische Verhalten beeinflussen

Behandeln Sie Er also wie einen Bereich, und nicht eine Konstante.

Schlussfolgerung

Die Dielektrizitätskonstante von FR4 ist nicht festgelegt - sie variiert je nach Frequenz, Materialzusammensetzung und sogar Layout-Bedingungen.

Bei Entwürfen mit niedriger Geschwindigkeit spielt diese Abweichung normalerweise keine Rolle.
Bei Hochgeschwindigkeits- oder HF-Schaltungen wirkt sie sich direkt auf die Impedanz und die Signalintegrität aus.

Der Schlüssel liegt nicht darin, einen perfekten Er-Wert anzustreben, sondern mit realistischen Annahmen zu entwerfen und mit dem Leiterplattenhersteller abzustimmen.

FAQ