בעת תכנון כרטיסים לתדר גבוה או למערכות דיגיטל מהירות, בחירת חומר הלמינציה קובעת ישירות את שלמות האות, את הפסד ההחדרה (Insertion Loss) ואת האמינות לטווח ארוך. שני הפרמטרים הקריטיים ביותר הם Dk (קבוע דיאלקטרי) ו-Df (מקדם אובדן) — ערכים המתארים כיצד חומר ה-PCB מתנהג מול אותות בתדר גבוה.
בשנים האחרונות הלחמה ללא עופרת הגבירה את הצורך בחומרים ל-PCB בעלי Dk/Df נמוכים ובתאימות ללחמה ללא עופרת, תוך שמירה על יציבות תרמית וכשירות ייצור.
למה Dk ו-Df חשובים בתכנון PCB לתדר גבוה
בתכנון מהיר, ההתנהגות הדיאלקטרית קובעת כיצד האותות מתפשטים על גבי המוליכים והמישורים.
- Dk – קבוע דיאלקטרי: קובע את מהירות התפשטות האות ומשפיע על שליטת העכבה. Dk נמוך יותר = הולכה מהירה יותר ותזמון צפוי יותר.
- Df – מקדם אובדן: מודד אובדן דיאלקטרי—כמה אנרגיית אות הופכת לחום. Df נמוך יותר = שלמות אות טובה יותר והפסד החדרה קטן יותר בתדרי GHz.
בתדרים מתחת ל-1 GHz חומר FR-4 לרוב מספיק. אך כאשר קצבי הנתונים עולים מעל 10–25 Gbps, גם סטיות קטנות ב-Dk/Df עלולות לגרום לקריסת תרשים-עין, היסטים ול-crosstalk. לכן למינטים בעלי הפסד נמוך הם כיום סטנדרט ב-RF וב-5G.
לחמה ללא עופרת מוסיפה מורכבות לבחירת החומר
חומרי Low Dk Df PCB קיימים כבר עשורים, אך ריפלואו ללא עופרת (כ-245–260°C) יוצר דרישות אמינות חדשות. החומרים חייבים לשלב ביצועים חשמליים מצוינים עם עמידות תרמית — במיוחד Tg גבוה, Td גבוה ושליטה ב-CTE בציר Z.
תקציר דרישות:
- חשמליות: Dk/Df נמוכים – הלחמה ללא עופרת לא משפיעה ישירות.
- תרמיות: בתדר גבוה ייתכן ש-Tg מתון יספיק; בלחמה ללא עופרת נדרש Tg ו-Td גבוהים.
- אמינות: יציבות Dk/Df וחובה לעמוד במספר מחזורי ריפלואו ללא דלמינציה.
חומר בעל Dk/Df טובים אך ללא תאימות ללחמה ללא עופרת ייכשל בהרכבה—לכן התאימות היא תנאי בסיס לייצור.
סוגים נפוצים של חומרים בעלי Dk/Df נמוכים ותאימות ללחמה ללא עופרת
מהנדסים בוחרים בדרך כלל באחת משלוש משפחות, בהתאם לביצועים ולתקציב.
1) מערכות אפוקסי משופרות
- Dk: ~3.2–3.6 | Df: ~0.006–0.010 @ 10 GHz
- יתרונות: חסכוני, עיבוד קל, תחליף “Drop-in” ל-FR-4
- שימושים: 10–25 Gbps, דיגיטל מהיר, חזית רדאר רכב.
פתרון מתאים למעבר מ-FR-4 לביצועים גבוהים בלי לשנות את תהליך הייצור.
2) תערובות PPO/PPE/הידרוקרבון
- Dk: ~3.0–3.3 | Df: ~0.003–0.006
- יתרונות: יציבות דיאלקטרית מצוינת ואיזון בין הפסד לביצועים תרמיים
- יישומים: 25–56 Gbps SerDes, אנטנות 5G Sub-6, בקפליינים.
מציעות תאימות מלאה ללחמה ללא עופרת ותמורה טובה בין עלות, ייצור וביצועי RF.
3) קומפוזיטים מבוססי PTFE / אולטרה-נמוכי הפסד
- Dk: 2.1–2.6 | Df: 0.0009–0.002
- יתרונות: אובדן דיאלקטרי מזערי
- חסרונות: עלות גבוהה וחלון תהליך צר יותר
- יישומים: mmWave, תקשורת לוויינית, מערכי פאזה.
PTFE נותן את התכונות הדיאלקטריות הטובות ביותר, אך דורש ייצור מתקדם — אידאלי מעל 28 GHz.
Dk ו-Df תלויים בתדר
טעות נפוצה היא ש-Dk ו-Df הם קבועים. בפועל שניהם תלויי-תדר ושיטת מדידה.
כאשר התדר עולה:
- Df נוטה לעלות עקב אובדן קיטוב מוגבר.
- Dk נוטה לרדת מעט, שכן הדיפולים המולקולריים אינם מספיקים לעקוב אחרי שדה חשמלי מהיר.
לדוגמה, חומר שמדווח כ-Dk = 3.50 @ 1 GHz עשוי להראות Dk = 3.25 @ 10 GHz, ו-Df כמעט מכפיל את עצמו. לכן מומלץ לבקש מהספק נתוני Dk/Df ספציפיים לתדר או לאמת באמצעות מדידות S-Parameters/Microstrip.
תכולת השרף משפיעה ישירות על הביצועים הדיאלקטריים
גם בתוך אותה משפחת חומרים, אחוז השרף משפיע מאוד על Dk/Df. יחס פרפרג/ליבה שונה משנה את הערכים:
- שרף גבוה יותר:
- מוריד Dk (יותר שרף ואוויר)
- מפחית Df (פחות אובדן מסיבי זכוכית)
- זכוכית גבוהה יותר:
- מעלה Dk
- גורמת לאנאיזוטרופיה ול-Glass Weave Effect
לכן בחירת חומר חייבת להתבסס על סטאק-אפ בפועל, לא רק על ערכי דף הנתונים. אשרו עם ספק החומר/היצרן שהסטאק-אפ ותכולת השרף מתאימים לתדר היעד.
מפתח ההצלחה: אופטימיזציה משולבת חשמלית-תרמית
בחירת חומרים מודרנית איננה רק מספרי Dk/Df — היא מציאת האיזון בין ביצועי אות ל-עמידות תרמית.
עיקרי הדברים:
- Dk/Df נמוכים ⇒ הפסד אות קטן יותר, אך לא כל למינט עומד בריפלואו ללא עופרת.
- Tg/Td גבוהים ו-CTE יציב קריטיים לאמינות ארוכת טווח.
- תכולת שרף ותדר משפיעים ישירות על התנהגות Dk/Df.
- עבדו מוקדם עם יצרן ה-PCB כדי לאמת מפרטים חשמליים ומכניים.
ב-FastTurn PCB אנו מסייעים ב-אופטימיזציית סטאק-אפ, עכבה ואמינות תרמית לייצור מהיר ותואם ללא עופרת.
שאלות נפוצות: Dk/Df נמוכים ותאימות ללא עופרת
מה חשוב יותר, Dk או Df?
שניהם חשובים. Dk משפיע על עכבה ותזמון; Df קובע את אובדן האות. בריבוי-GHz לרוב Df הוא המגביל הראשון.
האם ריפלואו ללא עופרת משנה את הביצועים הדיאלקטריים?
כן. טמפרטורות גבוהות עלולות לגרום לדלמינציה או לסטייה דיאלקטרית אם Tg/Td נמוכים מדי. בחרו תמיד חומרים תואמי-ללא-עופרת.
למה אותו חומר מציג ערכי Dk/Df שונים?
כי תכולת השרף, אריג הזכוכית ועובי הליבה משתנים בין סטאק-אפים, ולכן גם הקבוע הדיאלקטרי האפקטיבי משתנה.
מהו אימות המינימום לפני ייצור?
ריצת פיילוט קטנה הכוללת מחזורי תרמיים ו-בדיקות עכבה. זה מאשר אמינות בלחמה ללא
עופרת ויציבות תכונות דיאלקטריות בתנאי אמת.
מחשבות אחרונות
עם עליית קצבי הנתונים לעשרות ג’יגה-ביט לשנייה, חומרי ה-PCB הופכים לצוואר הבקבוק החדש. בחירת חומרים בעלי Dk/Df נמוכים ותאימות ללחמה ללא עופרת היא הבסיס לחומרה מהירה ואמינה — מבסיסי 5G ועד רדאר רכב וקישורי דאטה סנטר.
ב-FastTurn PCB אנו מתמחים בייצור PCB בהפסד נמוך, ולידציה דיאלקטרית ותכנון סטאק-אפ תואם ללא עופרת, כדי לעזור לכם לספק אותות מהירים ונקיים בביטחון.
