Beim Entwurf und der Fertigung von Leiterplatten (PCBs) ist das Verständnis der elektrischen Eigenschaften der Basismaterialien entscheidend. Zwei Schlüsselparameter – die Dielektrizitätskonstante (Dk oder εr) und der Verlustfaktor (Df oder tan δ) – bestimmen direkt, wie sich Signale in einer Schaltung ausbreiten.
In Hochfrequenz- und High-Speed-Anwendungen beeinflussen sie die Signalintegrität, die Impedanzkontrolle und die Gesamtleistung der Leiterplatte.
Dieser Beitrag erklärt die Bedeutung von Dielektrizitätskonstante und Permittivität, warum Dk und Df mit Frequenz und Material variieren und wie man diese Werte bei der Materialauswahl richtig nutzt.
1. Was ist die Dielektrizitätskonstante (Dk oder εr)?
Die Dielektrizitätskonstante, auch relative Permittivität genannt, gibt an, wie viel elektrische Energie ein Material im Vergleich zu Luft oder Vakuum speichern kann.
Wie Rogers Corporation erläutert, ist sie das Verhältnis der Kapazität eines Kondensators mit Dielektrikum zur Kapazität desselben Kondensators mit Luft.
Ein höheres Dk erlaubt es, mehr Ladung zu speichern und verkürzt die Wellenlänge. In RF- und Mikrowellen-Schaltungen ermöglicht dies kleinere Leiterstrukturen bei gleicher Frequenz. Ein höheres Dk ist jedoch nicht automatisch besser – Konstrukteur:innen balancieren Größe, Impedanz und Verluste.
Beispiel: Die FR-4-Dielektrizitätskonstante liegt typischerweise bei 4,2–4,8 bei 1 GHz, während die Teflon-Dielektrizitätskonstante (PTFE) deutlich niedriger ist, etwa 2,1. Das erklärt den häufigen Einsatz von PTFE-Laminaten in hochfrequenten, verlustarmen Anwendungen.
2. Warum ist Dk kein fester Wert?
Dk ändert sich mit der Frequenz. Laut Sierra Circuits ist Dk frequenzabhängig und nimmt bei den meisten PCB-Materialien mit steigender Frequenz leicht ab.
Ein Laminat kann z. B. Dk = 4,3 bei 1 GHz und 4,1 bei 10 GHz aufweisen. Für HF-Designs zählt daher die Stabilität von Dk über einen breiten Frequenzbereich.
Dk hängt von der Materialzusammensetzung ab. Viele PCB-Kerne bestehen aus Harz und Glasfasergewebe; beide besitzen eigene Dk- und Df-Werte. Ändert sich das Harz-zu-Glas-Verhältnis, verschiebt sich der Gesamtdk in Richtung des dominierenden Anteils. Daten von Rogers zeigen, dass schon kleine Änderungen der Harzmenge die Impedanz beeinflussen können.
Dk kann anisotrop sein. Durch das gewebte Glasfaser-Layout sind die Eigenschaften nicht in allen Richtungen gleich. Der in z-Richtung (Dicke) gemessene Dk kann vom x-/y-Wert abweichen. Verschiedene Messmethoden erfassen unterschiedliche Feldrichtungen – daher können für dasselbe Material zwei „richtige“ Dk-Werte existieren.
3. Warum liefern verschiedene Messmethoden unterschiedliche Dk/Df-Werte?
Rogers und andere Hersteller betonen: Die Messmethode ist entscheidend.
Unterschiedliche Setups – etwa Split-Post-Resonator oder Clamped Stripline – erzeugen jeweils eigene Feldverteilungen. Eine Methode misst eher die z-Achse, eine andere die x-/y-Ebene.
So kann ein Datenblatt Dk = 3,48 @ 10 GHz (clamped stripline) und 3,66 @ 10 GHz (resonator) ausweisen – beides ist gültig.
Engineering-Tipp: Beim Vergleichen von Materialien immer Messmethode UND Frequenz angeben. Ohne diese Angaben sind Dk- und Df-Zahlen nicht direkt vergleichbar.
4. Frequenzeffekte mit Datentabellen veranschaulichen
Isola Group zeigt dies vorbildlich: In Datenblättern finden sich Dk- und Df-Werte bei 100 MHz, 1 GHz, 2 GHz und 10 GHz für dasselbe Laminat sowie Varianten für Glasstil, Harzgehalt und Dicke.
Typische Trends:
- Dk nimmt mit der Frequenz allmählich ab.
- Df (loss tangent) steigt leicht mit der Frequenz.
- Dickere bzw. harzreichere Kerne zeigen oft niedrigeres Dk und höheres Df.
Diagramme in technischen Blogs erleichtern das Visualisieren von Dk und Permittivität über der Frequenz – wie in vielen PCB-Handbüchern.
5. Was ist der Verlustfaktor (Df oder tan δ)?
Der Verlustfaktor beschreibt, wie viel elektromagnetische Energie beim Durchgang durch das Dielektrikum in Wärme umgewandelt wird.
Altium definiert Df als Verhältnis der dielektrischen Verlustleistung zur im elektrischen Feld gespeicherten Energie.
Einfach gesagt:
- Niedriger Df → geringere Signaldämpfung, bessere HF-Leistung.
- Hoher Df → mehr Wärmeverluste, schnellere Dämpfung.
6. Warum ist Df im High-Speed/HF-Design so wichtig?
Df ist einer der kritischsten Parameter moderner High-Speed-Digital- und RF-Platinen. Er bestimmt den dielektrischen Anteil der Gesamtdämpfung.
Selbst bei minimalen Kupferverlusten und Reflexionen verkürzt ein hoher Df die maximal sinnvolle Leiterbahnlänge, weil das Signal entlang der Strecke abklingt.
Darum geben Hochgeschwindigkeits-Materialien wie Rogers 4000, Panasonic Megtron 6 oder Isola I-Tera MT40 Df-Werte von ca. 0,003–0,005 @ 10 GHz an – deutlich unter Standard-FR-4 (≈ 0,02).
7. Auch Df variiert mit Frequenz und Harz/Glas-Verhältnis
Wie Dk ist auch Df nicht konstant. Branchendaten zeigen: Df steigt typischerweise mit der Frequenz und mit höherem Harzanteil, da die Harzmatrix stärkere dielektrische Verluste verursacht als Glas.
Bei feinen Strukturen oder langen Übertragungsstrecken sollte dieser Effekt in SI-Simulationen stets berücksichtigt werden.
Die Auswahl von Materialien mit niedrigem, stabilem Df über das Arbeitsband ist entscheidend für 5G-Funk, Automobil-Radar und High-Speed-Backplanes.
Fazit
Die Dielektrizitätskonstante (Dk) und der Verlustfaktor (Df) sind grundlegend für die elektrische Performance von Leiterplatten.
Dk beeinflusst Impedanz, Kapazität und Geometrie der Leiterbahnen, während Df angibt, wie viel Signalenergie als Wärme verloren geht.
Verstehen Sie die Beziehung zwischen Dielektrizitätskonstante und Permittivität, vergleichen Sie Werte stets bei gleicher Messmethode und Frequenz und berücksichtigen Sie den Einfluss von Frequenz und Materialzusammensetzung – so wählen Sie die passenden Laminate.
Ob Sie mit FR-4-Dk-Werten arbeiten oder Teflon/PTFE für RF- und Mikrowellen-Designs evaluieren: Die richtige Materialwahl sichert kontrollierte Impedanz und zuverlässige Performance bei hohen Frequenzen.
