Was ist eine Hoch-Tg-Leiterplatte?
Was ist die Glasübergangstemperatur (Tg)?
Die Glasübergangstemperatur, genannt Tg, ist eine der wichtigsten Eigenschaften von Kunststoffen und Epoxidmaterialien. Tg zeigt auch die Qualität des in Leiterplatten verwendeten Glasfasergewebes an. Im Vergleich zur HDT (Heat Deflection Temperature) ist Tg nicht immer wichtiger, aber dennoch von Bedeutung. Tg ist die Temperatur, bei der die langen Ketten in einem Kunststoff eine größere segmentale Bewegung erfahren.
Liegt die Verwendungstemperatur unter Tg, ist die Bewegung der Polymerkettensegmente weitgehend eingefroren. Das Material weist eine geordnetere, gitterartige Struktur auf. Der Kunststoff ist hart, steif und spröde. Wir nennen dies die gläserner Zustand.
Wenn die Verwendungstemperatur über Tg liegt, haben die Polymerkettensegmente mehr Bewegungsfreiheit. Der Kunststoff wird weicher und flexibler. Wir nennen dies die gummiartiger Zustand.
Tg ist also die Temperatur, bei der das Material von glasig zu gummiartig wechselt. Tg ist die höchste Temperatur, bei der ein Substrat seine Steifigkeit behält. Mit anderen Worten: Gewöhnliche Leiterplattensubstrate werden bei hohen Temperaturen weicher, verformen sich oder schmelzen sogar. Gleichzeitig nehmen ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften schnell ab.
Tg und Verhalten der Platine
Tg markiert eine deutliche Veränderung des Materialverhaltens. Unterhalb von Tg behält die Platte ihre Form und mechanische Festigkeit. Über Tg kann sich die Platte verbiegen und an Steifigkeit verlieren. Diese Veränderung wirkt sich auch auf die elektrischen Eigenschaften aus. Der dielektrische Verlust und das Isolationsverhalten können sich ändern, wenn sich die Temperatur über Tg bewegt. Bei der Entwicklung und Montage von Leiterplatten hilft die Kenntnis des Tg-Wertes bei der Auswahl der richtigen Materialien und Verfahren.
Kategorien von PCB-Tg-Werten
Die Hersteller unterteilen die Plattenmaterialien nach Tg-Bereichen. Typische Gruppen sind:
- Normale Tg-Platten: 130 °C bis 150 °C. Beispiele: KB-6164F (140 °C), S1141 (140 °C).
- Mittlere Tg-Platten: 150 °C bis 170 °C. Beispiele: KB-6165F (150 °C), S1141-150 (150 °C).
- Platten mit hohem Tg-Wert (höhere Kosten): 170 °C und darüber. Beispiele: KB-6167F (170 °C), S1170 (170 °C).
Anmerkung: Bei einigen Verbraucher- und Netzwerkprodukten war S1141 üblich. In den QC-Berichten wird manchmal Tg = 130 °C und manchmal Tg = 135 °C angegeben. Dies zeigt, dass die Prüfung und die Bezeichnung der Güteklasse variieren können.
Vorteile von Hoch-Tg-Materialien
- Höhere Stabilität: Wenn Sie die Tg des Leiterplattensubstrats erhöhen, erhöhen Sie auch die Hitzebeständigkeit, die chemische Beständigkeit, die Feuchtigkeitsbeständigkeit und die Stabilität des Geräts.
- Besser für Designs mit hoher Leistungsdichte: Wenn ein Gerät eine hohe Leistungsdichte und eine große Wärmeentwicklung aufweist, helfen Leiterplatten mit hoher Tg, die Wärme zu kontrollieren.
- Flexibilität bei der Gestaltung: Dank besserer thermischer Eigenschaften können Sie die Größe oder das Layout der Leiterplatte ändern und trotzdem den Leistungs- und Wärmebedarf decken. Sie können größere Leiterplatten oder andere Stapel verwenden, wenn die Wärme besser verwaltet wird.
- Ideal für mehrlagige und HDI-Leiterplatten: Multilayer- und HDI-Platten sind sehr dicht. Sie erzeugen ein höheres Wärmeniveau. Leiterplatten mit hohem Tg tragen dazu bei, die Fertigungs- und Produktzuverlässigkeit zu erhalten.
- Verbesserter Widerstand: Wenn der Tg-Wert steigt, verbessert sich die Widerstandsfähigkeit der Platte gegenüber Hitze, Feuchtigkeit und Chemikalien. Auch die Stabilität im Betrieb verbessert sich.
- Besser für bleifreies Löten: Beim bleifreien Reflow werden höhere Temperaturen verwendet. Leiterplatten mit höherer Tg vertragen diese Temperaturen besser.
- Geringerer Verzug in SMT: Hoch-Tg-Materialien verformen sich bei SMT und Reflow weniger. Sie bieten eine höhere Zuverlässigkeit. Risiken wie Rissbildung bei hohen Temperaturen und Kupferblasenbildung sind geringer als bei Leiterplatten mit niedrigem Tg-Wert. Bei normaler Handhabung kann sich High-Tg-Material spröder anfühlen, aber bei hohen Temperaturen sind seine Festigkeit und Dimensionsstabilität (CTE-Verhalten) besser als bei Low-Tg-Materialien.
Leistung von High-Tg-PCBs
Mit dem schnellen Wachstum der Elektronik werden Materialien mit hohem Tg-Wert häufig in Computern, Kommunikationsgeräten, Präzisionsinstrumenten und Testgeräten verwendet. Um höhere Funktionen und mehr Schichten zu erreichen, müssen Leiterplattensubstrate grundsätzlich eine höhere Wärmebeständigkeit aufweisen. Außerdem wird die Wärmebeständigkeit des Substrats durch die Montage mit hoher Dichte, wie SMT- und Chip-Montage-Technologien, und durch den Trend zu dünneren Leiterplatten, kleineren Löchern und feinerem Routing immer wichtiger.
Der Unterschied zwischen typischem FR-4 und High-Tg FR-4 zeigt sich in vielerlei Hinsicht. Mechanische Festigkeit, Haftung, Wasseraufnahme, Dimensionsstabilität und thermisches Verhalten nach Feuchtigkeitsaufnahme sind unterschiedlich. Bei thermischer Belastung und thermischer Ausdehnung behalten Platten mit hohem Tg-Wert ihre Form und funktionieren besser. Aus diesem Grund ist die Nachfrage nach High-Tg-Platten gestiegen. Ihr Preis ist höher als der von Standardplatten.
Hoch-Tg-Materialien sind in der LED-Beleuchtung sehr beliebt. LED-Gehäuse leiten mehr Wärme ab als gewöhnliche Teile. Eine FR-4-Platine mit der richtigen Struktur kann viel billiger sein als eine Metallkernplatine und trotzdem die thermischen Anforderungen in einigen Designs erfüllen.
Warum FR-4 für die Herstellung von Hoch-Tg-Leiterplatten verwenden?
Einige Anwendungen erfordern Leiterplatten, die bei 200 °C oder mehr arbeiten. Um bei solchen Temperaturen zuverlässig arbeiten zu können, müssen wir Materialien verwenden, die für hohe Temperaturen geeignet sind. Eine gängige Wahl ist FR-4. FR-4-Platten mit hohem Tg-Wert können viel höhere Glasübergangstemperaturen verkraften und bieten dennoch nützliche Eigenschaften:
- Verbesserte Impedanzkontrolle.
- Besseres Wärmemanagement.
- Geringere Feuchtigkeitsaufnahme.
- Stabile Leistung im Betrieb.
FR-4 ist ein flammhemmendes, glasfaserverstärktes Epoxidharz. Es hat viele Vorteile, die den Anforderungen von Hoch-Tg-Leiterplatten entsprechen:
- Es hält vielen Laminierungszyklen stand und eignet sich für komplexe PCB-Prozesse.
- Es unterstützt die bleifreie Montage.
- FR-4-Typen gibt es viele. Es gibt PTFE-Typen, keramikgefülltes PTFE und duroplastische Kohlenwasserstoffbasen. Sie wählen nach Bedarf.
FR-4 Besondere Eigenschaften
FR-4 bietet entscheidende Stärken für anspruchsvolle Anwendungen:
- Gute elektrische Leistung: Dadurch bleibt die Signalqualität bei hohen Frequenzen und hohen Temperaturen erhalten.
- Sie kann spezielle Bohr- und Durchkontaktierungsverfahren (PTH) für komplexe Leiterplatten verarbeiten.
- Die Zuverlässigkeit von PTH ist gut: Dadurch wird das Risiko eines Verbindungsausfalls bei hohen Temperaturen verringert.
- Die Kosten sind niedriger als bei vielen hochwertigen Materialien während die Leistung gut ist.
- Stabiler Verlustfaktor (Df) im Vergleich zu einigen anderen Materialien. Dies reduziert den Signalverlust.
- Gute chemische Beständigkeit um Prozesschemikalien und Feldeinwirkung zu widerstehen.
- Schock- und Vibrationsfestigkeit sowie Schwerentflammbarkeit: Macht die Bretter im rauen Gebrauch sicherer.
- Er eignet sich für Leiterplattendesigns, die eine enge Impedanzkontrolle für Hochgeschwindigkeitssignale erfordern.
FR-4 High-Tg PCB Anwendungsbereiche
Da FR-4 High-Tg-Platten gut mit Wärme umgehen können, werden sie in vielen Branchen eingesetzt, die ein stabiles thermisches Verhalten benötigen. Typische Bereiche sind:
- Computer, Speicher und Peripheriegeräte.
- Unterhaltungselektronik.
- Netzwerke und Telekommunikationssysteme.
- Luft- und Raumfahrt und Verteidigung.
- Medizinische Geräte.
- Industrielle Steuerung und Instrumente.
- Automobil und Transport.
Wie man das richtige FR-4 Material auswählt
Es gibt viele FR-4-Varianten. Die Wahl des richtigen Substrats ist von entscheidender Bedeutung, da die Wahl des Materials die endgültige Stabilität der Leiterplatte und die beste Leistung bestimmt. Bevor Sie ein Substrat auswählen, sollten Sie diese Faktoren prüfen:
- Dielektrizitätskonstante: Sie beeinflusst die Signalgeschwindigkeit und die Impedanz.
- Verlusttangente oder Dissipationsfaktor: Sie beeinflusst den Signalverlust.
- Wärmeleitfähigkeit: Sie beeinflusst die Wärmeabfuhr.
- Glasübergangstemperatur (Tg): Dies ist der wichtigste Indikator, der die obere Wärmegrenze festlegt.
- Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE): Es beeinträchtigt die Dimensionsstabilität bei hohen Temperaturen.
- Elektrische Eigenschaften wie Isolationswiderstand und Durchschlagsspannung.
Wann brauchen Sie eine Hoch-Tg-Leiterplatte?
Wenn Ihre Leiterplatte Wärmebelastungen von etwa Tg + 25 °C standhalten muss, benötigen Sie Material mit hohem Tg-Wert. Wenn ein Produkt bei 130 °C oder mehr betrieben wird, bringen High-Tg-Platinen mehr Sicherheit und Zuverlässigkeit. Ein wichtiger Faktor ist das bleifreie Löten. Bleifreie Prozesse benötigen höhere Spitzentemperaturen. Aus diesem Grund verwenden viele Leiterplattenhersteller jetzt Materialien mit hohem Tg-Wert.
Typische Verwendungszwecke von High-Tg PCBs
Wenn ein Produkt eine höhere Leistungsdichte hat und die Wärme den Kühlkörper oder andere Teile beeinträchtigt, sind High-Tg-Platinen eine gute Wahl. High-Tg-Leiterplatten werden immer beliebter und kommen überall dort zum Einsatz, wo Elektronik bei höheren Temperaturen betrieben wird. PHILIFAST bietet Leiterplatten mit hohem Wärmewert an, um viele Anforderungen der Industrie zu erfüllen und Kundenwünsche mit kurzen Vorlaufzeiten zu erfüllen. Beispiele für Anwendungen sind:
- Gateways und Router.
- RFID-Lesegeräte und -Tags.
- Wechselrichter.
- Antennen- und RF-Platinen.
- Drahtlose Repeater und Booster.
- Auftragsfertigungsdienste (PCBA für Kunden).
- Kostengünstige PLC und Steuereinheiten.
- Entwicklungsboards für eingebettete Systeme.
- Eingebettete Computersysteme.
- AC-Stromversorgung und Stromversorgungsmodule.
PHILIFAST Hoch-Tg-Materialien
PHILIFAST lagert und verwendet verschiedene Hoch-Tg und verwandte Materialien. Nachstehend finden Sie die in der Industrie gebräuchlichen Namen und Typen. Bei diesen Namen handelt es sich um Handelsnamen und Sortencodes von Harz- und Laminatlieferanten.
| Material-Kategorie | Spezifische Modelle/Handelsbezeichnungen |
|---|---|
| Hoch-Tg FR-4 (halogenfrei) | Shengyi S1165, Kingboard HF-170 |
| Normale Tg FR-4 (halogenfrei) | Shengyi S1155, KB-6165G |
| Hohe CTI-Typen | Shengyi S1600L, KB-6165GC, KB-6169GT |
| Andere FR-4-Sorten mit hohem Tg-Wert und Handelsnamen | 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) und verwandte Typen wie IT180A, GETEK, PCL-370HR, N4000-13-Serie, S1000-2 und S1000-2M |
Diese Listen umfassen viele handelsübliche Laminate und Prepregs, die für Hoch-Tg- und Hochleistungsplatten verwendet werden. Sie können eine Sorte anhand von Testdaten und Ihren Prozessanforderungen auswählen.
Wichtige Hinweise zur Verarbeitung und Zuverlässigkeit
- Hoch-Tg-Materialien widerstehen Reflow- und Mehrfachlaminierungszyklen. Dies erleichtert den Aufbau komplexer Mehrschichtsysteme.
- Ein höherer Tg-Wert verringert das Risiko einer Delamination während der thermischen Zyklen, aber Sie müssen immer noch Prozessvariablen wie Druck, Temperaturprofil und Harzfüllung kontrollieren.
- Feuchtigkeitsaufnahme ist wichtig. Selbst Materialien mit hohem Tg-Wert können Feuchtigkeit aufnehmen. Trocknungs- und Lagerungsverfahren sind für eine zuverlässige Montage immer noch wichtig.
- Die WAK-Anpassung ist wichtig. Der WAK der Leiterplatte sollte mit dem Verhalten der Komponenten und des Laminats übereinstimmen, um die Lötstellenbelastung zu reduzieren, insbesondere bei BGAs und großen Chips.
- Wählen Sie für HDI und Fine-Pitch-Arbeiten Materialien mit stabilem Dielektrikum und geringem Verlust für die Signalintegrität.
Zusammenfassung
Tg ist die Temperatur, bei der Kunststoff von hart und glasig zu weich und gummiartig wird. PCB-Materialien mit hoher Tg behalten ihre Struktur und Funktion auch bei höheren Temperaturen. Sie helfen beim bleifreien Löten, bei hoher Leistungsdichte und bei engen Designanforderungen wie Multilayer und HDI. FR-4 ist nach wie vor eine gängige und kostengünstige Wahl für Hoch-Tg-Leiterplatten. Sie müssen die Materialqualität wählen, die Ihren elektrischen, thermischen und mechanischen Anforderungen entspricht. PHILIFAST bietet viele Optionen für hohe Tg-Werte an, um die verschiedenen Anforderungen der Industrie zu erfüllen.