בעת תכנון וייצור מעגלים מודפסים (PCB), חשוב להבין את הביצועים החשמליים של חומרי הבסיס. שני פרמטרים מרכזיים—הקבוע הדיאלקטרי (Dk או εr) וגורם ההפסד (Df או tan δ)—משפיעים ישירות על אופן התפשטות האות במעגל.
ביישומי תדר גבוה ומהירויות גבוהות הם קובעים את שלמות האות, בקרת העכבה והביצועים הכוללים של הלוח.
מאמר זה מסביר את המשמעות של הקבוע הדיאלקטרי והפרמיטיביות, מדוע Dk ו-Df משתנים עם התדר והחומר, וכיצד להשתמש בהם בבחירת למינציות ל-PCB.
1. מהו הקבוע הדיאלקטרי (Dk או εr)?
הקבוע הדיאלקטרי—הנקרא גם פרמיטיביות יחסית—מודד כמה אנרגיה חשמלית חומר מסוגל לאגור ביחס לאוויר/ריק.
כפי שמסבירה Rogers Corporation, זהו היחס בין קיבול של קבל עם דיאלקטריק לבין קיבולו כשהוא ממולא באוויר.
מבחינה הנדסית, Dk גבוה יותר מאפשר אגירת מטען גדולה יותר ומקצר את אורך הגל; במעגלי RF ומיקרוגל הדבר מאפשר מוליכים קטנים יותר לאותו תדר. עם זאת, Dk גבוה אינו תמיד עדיף—יש לאזן בין גודל, עכבה והפסדים.
לדוגמה, הקבוע הדיאלקטרי של FR-4 הוא בדרך כלל 4.2–4.8 ב-1 GHz, בעוד הקבוע הדיאלקטרי של טפלון (PTFE) נמוך בהרבה—כ-2.1. ההבדל מסביר את השימוש הנרחב ב-PTFE בלמינציות תדר גבוה והפסד נמוך.
2. מדוע Dk אינו מספר קבוע?
Dk משתנה עם התדר. לפי Sierra Circuits, ברוב החומרים Dk נוטה לרדת מעט כאשר התדר עולה.
למשל, למינציה יכולה להציג Dk = 4.3 ב-1 GHz ו-4.1 ב-10 GHz. לכן במערכות תדר גבוה חשובה יציבות Dk על פני רוחב-פס רחב.
Dk תלוי בהרכב החומר. רבות מליבות ה-PCB הן קומפוזיט של שרף + בד זכוכית, ולכל רכיב Dk ו-Df משלו. שינוי יחס השרף-לזכוכית מזיז את ה-Dk הכולל לכיוון הרכיב הדומיננטי. נתוני Rogers מראים שאפילו שינוי קטן בתכולת השרף עשוי להשפיע על העכבה.
Dk יכול להיות אנאיזוטרופי. בשל האריגה של סיבי הזכוכית, התכונות אינן זהות בכל הכיוונים: המדידה בכיוון העובי (ציר z) יכולה להיות שונה מהמדידה במישור (x-y). שיטות מדידה שונות “רואות” כיווני שדה שונים, ולכן ייתכנו שתי תוצאות נכונות לאותו חומר בהתאם לגאומטריית המדידה.
3. מדוע שיטות מדידה שונות נותנות ערכי Dk/Df שונים?
Rogers וספקים אחרים מדגישים כי שיטת המדידה חשובה.
מערכי בדיקה שונים—כגון split-post resonator או clamped stripline—יוצרים התפלגויות שדה שונות; שיטה אחת רגישה יותר לציר z ואחרת למישור x-y.
לכן בדף נתונים עשויים להופיע Dk = 3.48 @ 10 GHz (ב-clamped stripline) ו-3.66 @ 10 GHz (ב-resonator)—שניהם תקינים.
טיפ הנדסי: בעת השוואת חומרים יש לציין תמיד גם את שיטת המדידה וגם את התדר; בלי זאת מספרי Dk ו-Df אינם בני-השוואה.
4. שימוש בטבלאות להמחשת השפעת התדר
Isola Group מציגה זאת היטב: בדפי הנתונים תמצאו ערכי Dk ו-Df ב-100 MHz, 1 GHz, 2 GHz ו-10 GHz לאותה למינציה, וכן שונות לפי סגנון הזכוכית, תכולת השרף והעובי.
מגמות אופייניות:
- Dk יורד בהדרגה עם התדר.
- Df (loss tangent) עולה מעט עם התדר.
- ליבות עבות יותר או עשירות בשרף מציגות לרוב Dk נמוך יותר ו-Df גבוה יותר.
תרשימים במאמרים טכניים מקלים על וויזואליזציה של Dk והפרמיטיביות כתלות בתדר—כפי שמוצג בספרי ה-PCB.
5. מהו גורם ההפסד (Df או tan δ)?
גורם ההפסד מתאר כמה אנרגיה אלקטרומגנטית מומרת לחום בעת מעבר האות דרך הדיאלקטריק.
Altium מגדירה את Df כ-יחס בין ההספק האבוד בדיאלקטריק לבין האנרגיה האגורה בשדה החשמלי.
בפשטות:
- Df נמוך → פחות הפסדי אות וביצועים טובים יותר בתדר גבוה.
- Df גבוה → יותר אובדן כחום והנחתה מהירה יותר של האות.
6. מדוע Df חשוב במיוחד בעיצוב High-Speed/HF?
Df הוא אחד הפרמטרים הקריטיים ביותר בלוחות דיגיטליים מהירים וב-RF. הוא קובע את רכיב ההנחתה הדיאלקטרית מתוך ההנחתה הכוללת.
גם כאשר הפסדי הנחושת וההחזרות מינימליים, Df גבוה מקצר את האורך השמיש המרבי של המוליך עקב דעיכת האות.
לכן חומרים ייעודיים כגון Rogers 4000, Panasonic Megtron 6 ו-Isola I-Tera MT40 מציינים Df של כ-0.003–0.005 @ 10 GHz—נמוך בהרבה מ-FR-4 (≈ 0.02).
7. גם Df משתנה עם התדר ויחס השרף/זכוכית
בדומה ל-Dk, Df אינו קבוע. נתוני תעשייה מראים שהוא נוטה לעלות עם התדר ועם תכולת שרף גבוהה יותר, משום שמטריצת השרף גורמת להפסד דיאלקטרי גדול מזה של הזכוכית.
בפרויקטים עם מרחקי הולכה ארוכים או ציפופים עדינים יש להביא זאת בחשבון בסימולציות SI.
בחירת חומרים עם Df נמוך ויציב על פני תחום העבודה חיונית ליישומי 5G, מכ״ם רכב ו-Backplanes מהירים.
סיכום
הקבוע הדיאלקטרי (Dk) וגורם ההפסד (Df) הם בסיסיים לביצועי ה-PCB.
Dk משפיע על עכבה, קיבול וגאומטריית המוליכים, בעוד Df קובע כמה מאנרגיית האות אובדת כחום.
הבינו את הקשר בין הקבוע הדיאלקטרי לפרמיטיביות, השוו ערכים שנמדדו באותה שיטה ובאותו תדר, ושימו לב להשפעת התדר והרכב החומר—וכך תבחרו את הלמינציה המתאימה.
בין אם אתם עובדים עם ערכי FR-4 ובין אם אתם בוחנים טפלון/PTFE לעיצובי RF ומיקרוגל—בחירה נכונה תבטיח עכבה מבוקרת וביצועים אמינים בתדרים גבוהים.
