En electrónica de alta velocidad y radiofrecuencia (RF), el sustrato dieléctrico que soporta las pistas de cobre actúa como un medio electromagnético activo. El parámetro fundamental que define la velocidad y propagación de las señales es la constante dieléctrica, abreviada como Dk o denotada como permitividad relativa $\varepsilon_r$.
Tanto para calcular una línea de transmisión de 50 Ω como para sincronizar pares diferenciales de alta velocidad, conocer la definición, fórmula y tolerancia de Dk es vital.
Este artículo describe la física de la constante dieléctrica, las fórmulas asociadas, la comparación de sustratos y cuándo conviene pasar a PCB de alta frecuencia.
Puntos clave
- Definición de Dk: Relación entre la energía electrostática almacenada en el material y la almacenada en el vacío bajo un campo eléctrico.
- Unidades y símbolo: Al ser un cociente de permitividades ($\varepsilon / \varepsilon_0$), la constante dieléctrica es adimensional (no tiene unidades). Símbolo: $\varepsilon_r$ o Dk.
- Velocidad de propagación: La velocidad de señal es inversamente proporcional a la raíz de la constante dieléctrica efectiva: $v_p = c / \sqrt{\varepsilon_{\text{eff}}}$.
- Impedancia característica: Un Dk mayor exige trazos más finos para conservar 50 Ω a igual espesor de dieléctrico.
- Dispersión con la frecuencia: El Dk decrece conforme aumenta la frecuencia de la señal.
Tabla comparativa de materiales de PCB
| Material | Referencia / Tipo | Dk (1 GHz) | Dk (10 GHz) | Factor de pérdida (Df @ 10 GHz) | Aplicación |
|---|---|---|---|---|---|
| Vacío | Referencia ideal | 1,0000 | 1,0000 | 0,0000 | Base física |
| Aire | Aire seco | 1,0006 | 1,0006 | ~0,0000 | Líneas coaxiales |
| PTFE puro | Teflón sin carga | 2,10 | 2,10 | 0,0004 | Radares de microondas |
| PTFE reforzado | Rogers RT/duroid 5880 | 2,20 | 2,20 | 0,0009 | Comunicaciones satelitales |
| Cerámica hidrocarburo | Rogers RO4350B | 3,66 | 3,48 | 0,0037 | Estaciones 5G, radar 24 GHz |
| Epoxi alta velocidad | Panasonic Megtron 6 | 3,71 | 3,65 | 0,0040 | Backplanes 112G, PCIe 5.0 |
| FR-4 estándar | Kingboard KB-6160 | 4,40 | 4,15 | 0,0200 | Consumo y control industrial |
| Cerámica Al2O3 | Alúmina pura | 9,80 | 9,60 | 0,0008 | Módulos de potencia |
Preguntas frecuentes (FAQ)
Q: ¿Tiene unidades la constante dieléctrica? A: No, es una magnitud adimensional porque las unidades de Faradios por metro se cancelan mutuamente en la fracción.
Q: ¿Por qué varía el Dk del FR-4? A: El FR-4 está compuesto de fibra de vidrio ($Dk \approx 6{,}0$) y resina epoxi ($Dk \approx 3{,}2$). La proporción de resina del tejido preimpregnado define el Dk final.