Co je PCB s vysokým obsahem Tg?
Co je teplota skelného přechodu (Tg)?
Teplota skelného přechodu, tzv. Tg, je jednou z nejdůležitějších vlastností plastů a epoxidových materiálů. Tg také ukazuje kvalitu tkaniny ze skleněných vláken použité v deskách plošných spojů. V porovnání s HDT (teplotou tepelné deformace) není Tg vždy důležitější, ale přesto na ní záleží. Tg je teplota, kdy dlouhé řetězce v plastu získají větší segmentový pohyb.
Pokud je teplota použití nižší než Tg, pohyb segmentů polymerního řetězce je většinou zmrazený. Materiál vykazuje uspořádanější, mřížkovou strukturu. Plast je tvrdý, tuhý a křehký. Tento stav nazýváme sklovitý stav.
Pokud je teplota použití vyšší než Tg, mají segmenty polymerního řetězce větší volnost pohybu. Plast se stává měkčím a pružnějším. Tento jev nazýváme gumovitý stav.
Tg je tedy teplota, při které se materiál mění ze sklovitého na gumovitý. Tg je nejvyšší teplota, při které si substrát zachovává svou tuhost. Jinými slovy, běžné materiály substrátů pro desky plošných spojů při vysoké teplotě měknou, deformují se, nebo se dokonce taví. Zároveň rychle klesají jejich mechanické a elektrické vlastnosti.
Tg a chování desek
Tg znamená jasnou změnu v chování materiálu. Pod Tg si deska zachovává svůj tvar a mechanickou pevnost. Při překročení Tg se deska může ohýbat a ztrácet tuhost. Tato změna ovlivňuje také elektrické vlastnosti. Dielektrické ztráty a chování izolace se mohou měnit při překročení teploty Tg. Při návrhu a montáži desek plošných spojů pomáhá znalost Tg vybrat správné materiály a postupy.
Kategorie hodnot Tg PCB
Výrobci rozdělují deskové materiály podle rozsahu Tg. Typické skupiny jsou:
- Normální desky Tg: 130 °C až 150 °C. Příklady: KB-6164F (140 °C), S1141 (140 °C).
- Střední desky Tg: 150 °C až 170 °C. Příklady: KB-6165F (150 °C), S1141-150 (150 °C).
- Desky s vysokou Tg (vyšší náklady): 170 °C a více. Příklady: KB-6167F (170 °C), S1170 (170 °C).
Poznámka: Pro některé spotřební a síťové produkty byl běžný kód S1141. Ve zprávách o kontrole kvality se někdy uvádí Tg = 130 °C a někdy Tg = 135 °C. To ukazuje, že testování a pojmenování třídy se může lišit.
Výhody materiálů s vysokým obsahem Tg
- Vyšší stabilita: Pokud zvýšíte Tg substrátu desky plošných spojů, zvýšíte také tepelnou odolnost, chemickou odolnost, odolnost proti vlhkosti a stabilitu zařízení.
- Lepší pro konstrukce s vysokou hustotou výkonu: Pokud má zařízení vysokou hustotu výkonu a produkuje velké množství tepla, pomáhají desky plošných spojů s vysokou Tg zvládat teplo.
- Flexibilita designu: Díky lepším tepelným vlastnostem můžete měnit velikost nebo uspořádání desky a stále splňovat výkonové a tepelné požadavky. Při lepším řízení tepla můžete použít větší desky plošných spojů nebo jiné uspořádání.
- Ideální pro vícevrstvé a HDI desky plošných spojů: Vícevrstvé a HDI desky jsou husté. Vytvářejí vyšší úroveň tepla. Desky s vysokým Tg pomáhají udržet spolehlivost výroby a výrobku.
- Zvýšená odolnost: Při zvýšení Tg se zvyšuje odolnost desky vůči teplu, vlhkosti a chemikáliím. Zlepšuje se také stabilita v provozu.
- Lepší pro bezolovnaté pájení: Při bezolovnatém přetavování se používají vyšší teploty. Desky s vyšší Tg tyto teploty lépe zvládají.
- Nižší deformace v SMT: Materiály s vysokou Tg se při SMT a přetavování méně deformují. Poskytují vyšší spolehlivost. Rizika, jako je praskání při vysokých teplotách a tvorba měděných puchýřů, jsou nižší než u desek s nízkým obsahem Tg. Při běžném zacházení může být materiál s vysokou Tg pocitově křehčí, ale při vysoké teplotě je jeho pevnost a rozměrová stabilita (chování CTE) lepší než u materiálů s nízkou Tg.
Výkonnost PCB s vysokým obsahem Tg
S rychlým rozvojem elektroniky se materiály s vysokým obsahem Tg hojně používají v počítačích, komunikačních zařízeních, přesných přístrojích a testovacích zařízeních. Pro dosažení vyšších funkcí a většího počtu vrstev potřebují substráty desek plošných spojů jako základní požadavek vyšší tepelnou odolnost. Také s montáží s vysokou hustotou, jako je SMT a technologie montáže čipů, a s trendy tenčích desek, menších otvorů a jemnějšího frézování se tepelná odolnost substrátu stává kritickou.
Rozdíl mezi typickým FR-4 a FR-4 s vysokým obsahem Tg se projevuje v mnoha ohledech. Liší se mechanická pevnost, přilnavost, nasákavost, rozměrová stabilita a tepelné chování po nasátí vlhkosti. Při tepelném namáhání a tepelné roztažnosti si desky s vysokou Tg lépe udržují tvar a fungují. Z tohoto důvodu poptávka po deskách s vysokým obsahem Tg vzrostla. Jejich cena je vyšší než u standardních desek.
Materiály s vysokým obsahem Tg jsou oblíbené v osvětlení LED. Obaly LED odvádějí více tepla než běžné součásti. Deska FR-4 se správnou strukturou může být mnohem levnější než deska s kovovým jádrem a přitom v některých provedeních splňovat tepelné požadavky.
Proč používat FR-4 k výrobě desek plošných spojů s vysokou gramáží?
Některé aplikace vyžadují desky plošných spojů, které pracují při teplotě 200 °C nebo vyšší. Pro spolehlivý provoz při takových teplotách musíme použít materiály vyrobené pro vysoké teploty. Jednou z běžných možností je FR-4. Desky FR-4 s vysokou teplotou skelného přechodu snesou mnohem vyšší teploty a stále poskytují užitečné vlastnosti:
- Vylepšená kontrola impedance.
- Lepší tepelná správa.
- Nižší příjem vlhkosti.
- Stabilní výkon v provozu.
FR-4 je nehořlavý epoxidový materiál vyztužený skleněnými vlákny. Má mnoho výhod, které vyhovují potřebám desek plošných spojů s vysokým obsahem Tg:
- Odolává mnoha cyklům laminace a hodí se pro složité procesy na deskách plošných spojů.
- Podporuje bezolovnatou montáž.
- Typů FR-4 je mnoho. Existují typy PTFE, PTFE plněné keramikou a termosetové uhlovodíkové báze. Vybíráte podle potřeby.
FR-4 Zvláštní vlastnosti
FR-4 nabízí klíčové přednosti pro vysoce náročné použití:
- Dobrý elektrický výkon: Udržuje kvalitu signálu při vysokých frekvencích a teplotách.
- Zvládá speciální vrtání a pokovené průchozí otvory (PTH) pro složité desky.
- Spolehlivost PTH je dobrá: Tím se snižuje riziko selhání spojení při vysoké teplotě.
- Cena je nižší než u mnoha špičkových materiálů zatímco výkon je dobrý.
- Stabilní rozptylový faktor (Df) ve srovnání s některými jinými materiály. Tím se snižuje ztráta signálu.
- Dobrá chemická odolnost aby odolávaly chemikáliím při zpracování a působení v terénu.
- Odolnost proti nárazům a vibracím a nehořlavost.: Zajistěte, aby desky byly bezpečnější při hrubém používání.
- Hodí se pro návrhy desek plošných spojů, které vyžadují přísnou kontrolu impedance pro vysokorychlostní signály.
FR-4 High-Tg PCB Oblasti použití
Protože desky FR-4 s vysokou Tg dobře snášejí teplo, slouží v mnoha průmyslových odvětvích, která vyžadují stabilní tepelné chování. Mezi typické oblasti patří:
- Výpočetní technika, úložiště a periferní zařízení.
- Spotřební elektronika.
- Síťové a telekomunikační systémy.
- Letectví a obrana.
- Zdravotnické prostředky.
- Průmyslové řízení a přístroje.
- Automobilový průmysl a doprava.
Jak vybrat správný materiál FR-4
Existuje mnoho variant FR-4. Výběr té správné je klíčový, protože volba materiálu určuje konečnou stabilitu a nejlepší výkon desky plošných spojů. Před výběrem substrátu zkontrolujte tyto faktory:
- Dielektrická konstanta: Ovlivňuje rychlost signálu a impedanci.
- Ztrátový tangens nebo činitel rozptylu: Ovlivňuje ztrátu signálu.
- Tepelná vodivost: Ovlivňuje odvod tepla.
- Teplota skelného přechodu (Tg): Jedná se o základní ukazatel, který určuje horní hranici tepla.
- Koeficient tepelné roztažnosti (CTE): Ovlivňuje rozměrovou stabilitu při vysokých teplotách.
- Elektrické vlastnosti jako je izolační odpor a průrazné napětí.
Kdy potřebujete PCB s vysokým obsahem Tg?
Pokud musí vaše deska odolávat tepelnému zatížení, které dosahuje přibližně Tg + 25 °C, pak potřebujete materiál s vysokou Tg. Pokud výrobek pracuje při teplotě 130 °C nebo vyšší, desky s vysokou Tg zvyšují bezpečnost a spolehlivost. Hlavní hnací silou je bezolovnaté pájení. Bezolovnaté procesy využívají vyšší špičkové teploty. Z tohoto důvodu nyní mnoho výrobců desek plošných spojů používá materiály s vysokou Tg.
Typická použití PCB s vysokým obsahem Tg
Pokud má výrobek vyšší hustotu výkonu a teplo bude ovlivňovat chladič nebo jiné součásti, jsou vhodnou volbou desky s vysokým Tg. S rostoucí oblibou desek s vysokým Tg se s nimi setkáte tam, kde elektronika pracuje při vyšších teplotách. Společnost PHILIFAST nabízí desky plošných spojů s vysokým zahříváním, které vyhovují mnoha potřebám průmyslu a splňují specifikace zákazníků s krátkými dodacími lhůtami. Mezi příklady použití patří např:
- Brány a směrovače.
- Čtečky a tagy RFID.
- Střídače napájení.
- Antény a RF desky.
- Bezdrátové opakovače a zesilovače.
- Smluvní výrobní služby (PCBA pro zákazníky).
- Levné PLC a řídicí jednotky.
- Vývojové desky vestavných systémů.
- Vestavěné počítačové systémy.
- Moduly napájení střídavým proudem a napájecí moduly.
Materiály PHILIFAST s vysokým obsahem Tg
Společnost PHILIFAST skladuje a používá několik materiálů s vysokým obsahem Tg a příbuzných materiálů. Níže jsou uvedeny běžné názvy a typy používané v průmyslu. Tyto názvy jsou obchodní názvy a kódy tříd od dodavatelů pryskyřic a laminátů.
| Kategorie materiálu | Konkrétní modely/obchodní názvy |
|---|---|
| FR-4 s vysokým obsahem Tg (bezhalogenový) | Shengyi S1165, Kingboard HF-170 |
| Normální Tg FR-4 (bezhalogenový) | Shengyi S1155, KB-6165G |
| Vysoké typy CTI | Shengyi S1600L, KB-6165GC, KB-6169GT |
| Další třídy a obchodní názvy FR-4 s vysokým obsahem Tg | FR408, FR408HR, IS410, FR406, GETEK, PCL-370HR; S1000-2, IT180A, IT-150DA; N4000-13, N4000-13EP, N4000-13SI, N4000-13EP SI; Megtron4, Megtron6 (Panasonic); EM-827 (Taiguang); GA-170 (Hongren); NP-180 (Nanya); TU-752, TU-662 (Taiaoyao); TU-872; MCL-BE-67G(H); MCL-E-679(W); MCL-E-679F(J) (Hitachi) a související třídy, jako jsou IT180A, GETEK, PCL-370HR, řada N4000-13, S1000-2 a S1000-2M. |
Tyto seznamy zahrnují mnoho komerčních laminátů a prepregů používaných pro desky s vysokou Tg a s vysokým výkonem. Třídu si můžete vybrat podle zkušebních údajů a podle svých procesních potřeb.
Klíčové poznámky ke zpracování a spolehlivosti
- Materiály s vysokým obsahem Tg odolávají přetavení a vícenásobným cyklům laminace. To pomáhá při komplexních vícevrstvých sestavách.
- Vyšší Tg snižuje pravděpodobnost delaminace během tepelných cyklů, ale stále musíte kontrolovat proměnné procesu, jako je tlak, teplotní profil a náplň pryskyřice.
- Absorpce vlhkosti je důležitá. Dokonce i materiály s vysokým obsahem Tg mohou přijímat vlhkost. Pro spolehlivou montáž jsou stále důležité postupy sušení a skladování.
- Shoda s CTE je důležitá. CTE desky by měla odpovídat chování součástek a laminátu, aby se snížilo namáhání pájecích spojů, zejména u BGA a velkých čipů.
- Pro práci s HDI a jemnými roztečemi vybírejte materiály se stabilním dielektrikem a nízkými ztrátami pro integritu signálu.
Souhrn
Tg je teplota, při které se plast mění z tvrdého a sklovitého na měkký a gumový. Materiály PCB s vysokou Tg si zachovávají strukturu a funkci i při vyšších teplotách. Pomáhají při bezolovnatém pájení, vysoké hustotě výkonu a náročných konstrukčních požadavcích, jako je vícevrstvé a HDI. FR-4 zůstává běžnou a cenově výhodnou volbou pro desky s vysokým obsahem Tg. Musíte si vybrat třídu materiálu, která vyhovuje vašim elektrickým, tepelným a mechanickým potřebám. PHILIFAST nabízí mnoho variant s vysokou Tg, které splňují různé průmyslové požadavky.