По мере дальнейшего увеличения скорости передачи сигналов выбор материала для печатных плат становится не просто механическим решением. Электрические характеристики, которые практически не влияли на низкоскоростные схемы, могут приобрести решающее значение в высокоскоростных цифровых и радиочастотных конструкциях.
Одним из таких свойств является диэлектрические потери, что часто указывается в паспортах материалов как Df или коэффициент рассеивания.
Хотя показатель Df обычно рассматривается вместе с диэлектрической проницаемостью (Dk), он характеризует иную свойство материала. Понимание этого различия помогает инженерам выбирать ламинаты, которые соответствуют как эксплуатационным требованиям, так и производственному бюджету.
Что такое диэлектрические потери?
Диэлектрические потери характеризуют количество энергии сигнала, поглощаемое изоляционным материалом при прохождении через него электрического сигнала.
Вместо того чтобы вся энергия передавалась по медным дорожкам, небольшая её часть преобразуется в тепло внутри диэлектрического материала.
Чем ниже диэлектрические потери, тем эффективнее печатная плата передает высокочастотные сигналы.
Если вы только начинаете знакомиться с параметрами материалов, полезно сначала разобраться в следующем: Объяснение диэлектрической проницаемости (Dk) печатных плат для выбора материала, поскольку Dk и Df обычно оцениваются вместе.
Что такое коэффициент рассеивания (Df)?
Коэффициент диссипации — это численное значение, используемое для описания диэлектрических потерь.
Поставщики материалов указывают показатель Df в технических паспортах ламинатов, чтобы проектировщики могли сравнивать электрические характеристики различных материалов.
В целом:
- Чем ниже значение Df, тем меньше потери сигнала.
- Чем выше значение Df, тем больше энергии теряется в виде тепла.
В случае низкочастотной электроники эти различия могут не иметь существенного практического значения. Однако с ростом частоты показатель Df становится всё более важным фактором при выборе материала.
Почему диэлектрические потери имеют значение
Не для каждой печатной платы требуется материал со сверхнизкими потерями, однако существуют области применения, в которых показатель Df оказывает заметное влияние.
Высокоскоростные цифровые системы
Интерфейсы, работающие с очень высокой скоростью передачи данных, более чувствительны к затуханию сигнала.
Материалы с меньшими потерями позволяют сохранять качество сигнала на более длинных трассах передачи.
Радиочастотные и микроволновые схемы
Радиочастотные сигналы распространяются на гораздо более высоких частотах, чем сигналы обычных цифровых схем.
Материалы с низким значением Df снижают вносимые потери и повышают общую эффективность системы.
Если вы сравниваете популярные варианты ламината, FR4 против Rogers PCB для высокочастотных конструкций объясняет, почему для изделий радиочастотного диапазона часто выбирают специализированные материалы.
Длинные линии передачи
Потери сигнала увеличиваются по мере увеличения длины трассы.
В случае с объединительными платами, средствами связи и сетевым оборудованием диэлектрические потери приобретают всё большее значение.
Типичные значения Df для распространенных материалов печатных плат
Различные системы ламинирования обеспечивают разные уровни диэлектрических потерь.
| Материал | Типичный диапазон Df |
|---|---|
| Стандартный FR4 | 0,015–0,025 |
| FR4 с высоким содержанием ТГ | 0,012–0,020 |
| FR4 с низкими потерями | 0,005–0,010 |
| Rogers Materials | 0,002–0,004 |
| Материалы на основе ПТФЭ | Менее 0,002 |
Фактические значения варьируются в зависимости от производителя ламината и периодичности испытаний.
Df — это не то же самое, что Dk
Хотя показатели Dk и Df часто указываются вместе в технических паспортах материалов, они характеризуют разные свойства.
| Недвижимость | Dk | Df |
|---|---|---|
| Основная цель | Распространение сигнала | Потери энергии сигнала |
| Основное влияние | Импеданс и задержка | Ослабление сигнала |
| Значение | Все проекты печатных плат | Проектирование высокочастотных и радиочастотных систем |
При выборе материалов для сложных условий эксплуатации оба показателя следует рассматривать в совокупности, а не по отдельности.
Факторы, влияющие на диэлектрические потери
На измеренное значение Df материала печатной платы влияют несколько факторов.
Состав материала
Различные системы смол, естественно, характеризуются разными диэлектрическими потерями.
Это одна из причин, по которой стандартные ламинаты FR4 и высокочастотные ламинаты демонстрируют разные эксплуатационные характеристики.
Рабочая частота
Диэлектрические потери, как правило, становятся более заметными по мере увеличения частоты сигнала.
Материал, демонстрирующий хорошие характеристики на низких частотах, может не обеспечивать таких же характеристик на микроволновых частотах.
Температура
Электрические характеристики могут незначительно изменяться при изменении рабочей температуры.
При выборе материалов для изделий, предназначенных для эксплуатации в сложных условиях, следует учитывать этот фактор.
Качество производства
Последовательное производство ламината способствует поддержанию стабильных электрических характеристик между производственными партиями.
Статья Обзор ламинатов для печатных плат: принципы проектирования и производства в статье рассматривается, как ламинатная конструкция влияет на качество печатных плат.
В каких случаях требуется материал с низким коэффициентом Df?
Материалы с низкими потерями обычно выбирают для:
- Оборудование радиосвязи
- Микроволновые системы
- Радиолокационная электроника
- Оборудование для высокоскоростных сетей
- Оборудование для центров обработки данных
- Высокочастотное испытательное оборудование
Для многих изделий промышленного управления, бытовой электроники и печатных плат общего назначения стандартный материал FR4 по-прежнему обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики.
Выбор ламината премиум-класса имеет смысл только в том случае, если это необходимо для конкретного применения.
При выборе материала необходимо соблюдать баланс между эксплуатационными характеристиками и стоимостью
Материалы с более низким коэффициентом Df, как правило, стоят дороже, чем обычный FR4.
В случае со многими коммерческими продуктами эти дополнительные расходы не приносят практически никакой пользы.
Лучше подбирать материал с учетом электрических требований конструкции, а не выбирать материал с наименьшим доступным коэффициентом Df.
Понимание различий между доступными материалами является важной частью проектирования печатных плат. Обзор, приведенный в Типы материалов, используемых в современных печатных платах является полезной отправной точкой при сравнении вариантов субстратов.
Как выбрать материалы для печатных плат с учетом Df
- Шаг 1
Определите рабочую частоту и скорость передачи данных данной схемы.
- Шаг 2
Оцените допустимые потери сигнала на самых длинных трассах передачи.
- Шаг 3
Сравните Df и Dk, тепловые характеристики и технологические требования.
- Шаг 4
Перед окончательным утверждением схемы слоения проконсультируйтесь с производителем печатных плат по поводу выбранного ламината.
Заключение
Диэлектрические потери — одно из ключевых электрических свойств, используемых для оценки материалов печатных плат.
Для обычных электронных изделий стандартный материал FR4, как правило, обеспечивает достаточные эксплуатационные характеристики. Однако с ростом частоты материалы с меньшими потерями могут помочь снизить затухание и сохранить качество сигнала.
Вместо того чтобы уделять внимание исключительно коэффициенту диэлектрических потерь (Df), инженерам следует оценивать диэлектрические потери в совокупности с диэлектрической проницаемостью, тепловыми характеристиками, технологичностью изготовления и общей стоимостью проекта, чтобы выбрать наиболее подходящий материал для печатной платы.
Часто задаваемые вопросы
A: Диэлектрические потери — это электрическая энергия, поглощаемая изоляционным материалом при прохождении сигналов через печатную плату.
A: Df, или коэффициент диссипации, — это величина, используемая для характеристики диэлектрических потерь. Более низкие значения Df указывают на меньшие потери сигнала.
A: Не обязательно. Материалы с низким коэффициентом Df подходят для высокочастотных и радиочастотных применений, однако во многих стандартных электронных изделиях хорошо себя зарекомендовал обычный FR4.
A: Высокочастотные ламинаты, такие как материалы Rogers и материалы на основе ПТФЭ, как правило, характеризуются меньшими диэлектрическими потерями, чем стандартный FR4.
A: Оба параметра характеризуют электрические свойства материалов печатных плат. Dk влияет на распространение сигнала, а Df показывает, какая часть энергии сигнала теряется при передаче.
