Da die Signalgeschwindigkeiten weiter steigen, ist die Auswahl des Leiterplattenmaterials nicht mehr nur eine rein mechanische Entscheidung. Elektrische Eigenschaften, die bei Schaltungen mit niedrigen Geschwindigkeiten kaum eine Rolle spielten, können bei digitalen Hochgeschwindigkeits- und HF-Designs entscheidend werden.
Eine dieser Eigenschaften ist dielektrischer Verlust, wird in Materialdatenblättern häufig wie folgt angegeben: Df oder Verlustfaktor.
Obwohl Df in der Regel zusammen mit der Dielektrizitätskonstante (Dk) behandelt wird, beschreibt es eine andere Eigenschaft des Materials. Das Verständnis dieses Unterschieds hilft Ingenieuren dabei, Laminate auszuwählen, die sowohl den Leistungsanforderungen als auch den Fertigungsbudgets entsprechen.
Was ist ein dielektrischer Verlust?
Der dielektrische Verlust beschreibt die Menge an Signalenergie, die vom Isoliermaterial absorbiert wird, wenn ein elektrisches Signal dieses durchläuft.
Anstatt dass die gesamte Energie entlang der Kupferbahnen übertragen wird, wird ein kleiner Teil davon im dielektrischen Material in Wärme umgewandelt.
Je geringer der dielektrische Verlust ist, desto effizienter überträgt die Leiterplatte hochfrequente Signale.
Wenn Sie sich mit Materialparametern noch nicht auskennen, ist es hilfreich, zunächst zu verstehen, Erläuterung der Dielektrizitätskonstante (Dk) von Leiterplatten für die Materialauswahl, da Dk und Df in der Regel gemeinsam ausgewertet werden.
Was ist der Verlustfaktor (Df)?
Der Verlustfaktor ist der Zahlenwert, mit dem der dielektrische Verlust beschrieben wird.
Materiallieferanten geben den Df-Wert in den Datenblättern für Laminate an, damit Konstrukteure die elektrischen Eigenschaften verschiedener Materialien vergleichen können.
Allgemein:
- Ein niedrigerer Df-Wert bedeutet einen geringeren Signalverlust.
- Ein höherer Df-Wert bedeutet, dass mehr Energie als Wärme verloren geht.
Bei Elektronik mit niedrigen Frequenzen haben diese Unterschiede möglicherweise kaum praktische Auswirkungen. Mit steigenden Frequenzen gewinnt Df jedoch bei der Materialauswahl zunehmend an Bedeutung.
Warum dielektrische Verluste eine Rolle spielen
Nicht jede Leiterplatte erfordert ein Material mit extrem geringen Verlusten, aber es gibt Anwendungen, bei denen Df einen spürbaren Einfluss hat.
Digitale Hochgeschwindigkeitssysteme
Schnittstellen, die mit sehr hohen Datenraten arbeiten, reagieren empfindlicher auf Signaldämpfung.
Materialien mit geringerem Verlust tragen dazu bei, die Signalqualität über längere Übertragungsstrecken hinweg zu erhalten.
HF- und Mikrowellenschaltungen
HF-Signale werden mit wesentlich höheren Frequenzen übertragen als herkömmliche digitale Schaltungen.
Materialien mit einem niedrigen Df-Wert verringern die Einfügedämpfung und verbessern den Gesamtertrag des Systems.
Wenn Sie gängige Laminatvarianten miteinander vergleichen, FR4 vs. Rogers PCB für Hochfrequenzdesign erklärt, warum für HF-Produkte häufig spezielle Materialien ausgewählt werden.
Lange Übertragungswege
Der Signalverlust nimmt mit zunehmender Leiterbahnlänge zu.
Bei Backplanes, Kommunikationsgeräten und Netzwerkhardware gewinnt der dielektrische Verlust zunehmend an Bedeutung.
Typische Df-Werte gängiger Leiterplattenmaterialien
Verschiedene Laminatsysteme weisen unterschiedliche Werte für den dielektrischen Verlust auf.
| Material | Typischer Df-Bereich |
|---|---|
| Standard FR4 | 0,015–0,025 |
| Hoch-Tg FR4 | 0,012–0,020 |
| FR4 mit geringen Verlusten | 0,005–0,010 |
| Rogers-Materialien | 0,002–0,004 |
| Materialien auf PTFE-Basis | Unter 0,002 |
Die tatsächlichen Werte variieren je nach Laminathersteller und Prüfhäufigkeit.
Df ist nicht dasselbe wie Dk
Obwohl Dk und Df in Materialdatenblättern häufig gemeinsam aufgeführt werden, beschreiben sie unterschiedliche Eigenschaften.
| Eigentum | Dk | Df |
|---|---|---|
| Hauptzweck | Signalausbreitung | Signalenergieverlust |
| Haupt Einfluss | Impedanz und Verzögerung | Signaldämpfung |
| Bedeutung | Alle Leiterplattenentwürfe | Hochgeschwindigkeits- und HF-Entwürfe |
Bei der Auswahl von Werkstoffen für anspruchsvolle Anwendungen sollten beide Werte gemeinsam und nicht getrennt voneinander geprüft werden.
Faktoren, die den dielektrischen Verlust beeinflussen
Mehrere Variablen beeinflussen den gemessenen Df-Wert eines Leiterplattenmaterials.
Materialzusammensetzung
Unterschiedliche Harzsysteme führen naturgemäß zu unterschiedlichen dielektrischen Verlusten.
Dies ist ein Grund dafür, warum sich Standard-FR4- und Hochfrequenz-Laminate in ihrer Leistung unterscheiden.
Betriebsfrequenz
Der dielektrische Verlust nimmt im Allgemeinen mit steigender Signalfrequenz zu.
Ein Material, das bei niedrigeren Frequenzen gute Eigenschaften aufweist, bietet möglicherweise bei Mikrowellenfrequenzen nicht die gleiche Leistung.
Temperatur
Die elektrischen Eigenschaften können sich bei Änderungen der Betriebstemperatur geringfügig ändern.
Bei Produkten, die in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden, sollte dies bei der Materialauswahl berücksichtigt werden.
Fertigungsqualität
Eine gleichbleibende Laminatproduktion trägt dazu bei, eine stabile elektrische Leistung über alle Produktionschargen hinweg zu gewährleisten.
Der Artikel Erläuterungen zum Leiterplattenlaminat für den Entwurf und die Herstellung von Leiterplatten erläutert, wie die Laminatkonstruktion zur Qualität von Leiterplatten beiträgt.
Wann ist ein Material mit niedrigem Df-Wert erforderlich?
Materialien mit geringen Verlusten werden üblicherweise für folgende Zwecke ausgewählt:
- HF-Kommunikationsgeräte
- Mikrowellensysteme
- Radarelektronik
- Hochgeschwindigkeits-Netzwerkhardware
- Rechenzentrumsausrüstung
- Hochfrequenz-Messgeräte
Für viele Produkte der industriellen Steuerungstechnik, der Unterhaltungselektronik und für Allzweck-Leiterplatten bietet Standard-FR4 nach wie vor eine angemessene Leistung.
Die Wahl eines Premium-Laminats ist nur dann sinnvoll, wenn der Einsatzzweck dies erfordert.
Bei der Materialauswahl sollte ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten hergestellt werden
Materialien mit niedrigerem Df-Wert sind in der Regel teurer als herkömmliches FR4.
Bei vielen kommerziellen Produkten bringt der zusätzliche Aufwand kaum einen praktischen Nutzen.
Der bessere Ansatz besteht darin, das Material an die elektrischen Anforderungen der Konstruktion anzupassen, anstatt den niedrigsten verfügbaren Df-Wert zu wählen.
Das Verständnis der Unterschiede zwischen den verfügbaren Materialien ist ein wichtiger Bestandteil des Leiterplattendesigns. Die Übersicht in In modernen Leiterplatten verwendete Leiterplattenmaterialien ist ein nützlicher Ausgangspunkt beim Vergleich verschiedener Substratoptionen.
So wählen Sie Leiterplattenmaterialien auf der Grundlage von Df aus
- Schritt 1
Bestimmen Sie die Betriebsfrequenz und die Datenrate der Schaltung.
- Schritt 2
Schätzen Sie den akzeptablen Signalverlust auf den längsten Übertragungsstrecken.
- Schritt 3
Vergleichen Sie Df mit Dk, den thermischen Eigenschaften und den Fertigungsanforderungen.
- Schritt 4
Besprechen Sie das ausgewählte Laminat mit Ihrem Leiterplattenhersteller, bevor Sie den Laminataufbau endgültig festlegen.
Schlussfolgerung
Der dielektrische Verlust ist eine der wichtigsten elektrischen Eigenschaften, anhand derer Leiterplattenmaterialien bewertet werden.
Bei herkömmlichen Elektronikprodukten bietet Standard-FR4 in der Regel eine ausreichende Leistung. Mit steigenden Frequenzen können jedoch Materialien mit geringeren Verlusten dazu beitragen, die Dämpfung zu verringern und die Signalqualität aufrechtzuerhalten.
Anstatt sich ausschließlich auf den Df-Wert zu konzentrieren, sollten Ingenieure die dielektrischen Verluste zusammen mit der Dielektrizitätskonstante, dem thermischen Verhalten, der Herstellbarkeit und den Gesamtprojektkosten bewerten, um das am besten geeignete Leiterplattenmaterial auszuwählen.
Häufig gestellte Fragen
A: Der dielektrische Verlust ist die elektrische Energie, die vom Isoliermaterial absorbiert wird, während Signale durch eine Leiterplatte geleitet werden.
A: Df, auch als Verlustfaktor bezeichnet, ist der Wert, mit dem der dielektrische Verlust beschrieben wird. Niedrigere Df-Werte weisen auf einen geringeren Signalverlust hin.
A: Nicht unbedingt. Materialien mit niedrigem Df-Wert eignen sich zwar gut für Hochgeschwindigkeits- und HF-Anwendungen, doch viele Standard-Elektronikprodukte erzielen auch mit herkömmlichem FR4 gute Ergebnisse.
A: Hochfrequenzlaminate wie Rogers-Materialien und Materialien auf PTFE-Basis weisen im Allgemeinen geringere dielektrische Verluste auf als Standard-FR4.
A: Beide Eigenschaften beschreiben das elektrische Verhalten von Leiterplattenmaterialien. Dk beeinflusst die Signalausbreitung, während Df angibt, wie viel Signalenergie bei der Übertragung verloren geht.
