¿Qué es un PCB de alta Tg?
¿Qué es la temperatura de transición vítrea (Tg)?
Temperatura de transición vítrea, denominada Tg, es una de las propiedades más importantes de los plásticos y los materiales epoxídicos. La Tg también muestra la calidad del tejido de fibra de vidrio utilizado en las placas de circuito impreso. En comparación con la HDT (temperatura de deflexión térmica), la Tg no siempre es más importante, pero sigue siendo importante. Tg es la temperatura a la que las cadenas largas de un plástico adquieren mayor movimiento segmentario.
Cuando la temperatura de uso es inferior a Tg, el movimiento de los segmentos de cadena del polímero se congela en su mayor parte. El material muestra una estructura más ordenada y reticular. El plástico es duro, rígido y quebradizo. A esto lo llamamos estado vítreo.
Cuando la temperatura de uso es superior a Tg, los segmentos de la cadena polimérica tienen más libertad de movimiento. El plástico se vuelve más blando y flexible. A esto lo llamamos estado gomoso.
Por tanto, Tg es la temperatura a la que el material pasa de vidrioso a gomoso. Tg es la temperatura máxima a la que un sustrato mantiene su rigidez. En otras palabras, los materiales de sustrato de PCB ordinarios se ablandarán, deformarán o incluso fundirán a alta temperatura. Al mismo tiempo, sus propiedades mecánicas y eléctricas disminuyen rápidamente.
Tg y comportamiento de la placa
Tg marca un claro cambio en el comportamiento del material. Por debajo de Tg, la placa mantiene su forma y su resistencia mecánica. Por encima de Tg, la placa puede doblarse y perder rigidez. Este cambio también afecta a las propiedades eléctricas. La pérdida dieléctrica y el comportamiento del aislamiento pueden cambiar a medida que la temperatura supera la Tg. Para el diseño y montaje de placas de circuito impreso, conocer la Tg ayuda a elegir los materiales y procesos adecuados.
Categorías de valores Tg de PCB
Los fabricantes dividen los materiales de los tableros por rangos de Tg. Los grupos típicos son:
- Tablas Tg normales: 130 °C a 150 °C. Ejemplos: KB-6164F (140 °C), S1141 (140 °C).
- Tablas Tg medianas: 150 °C a 170 °C. Ejemplos: KB-6165F (150 °C), S1141-150 (150 °C).
- Tableros de alta Tg (mayor coste): 170 °C y superiores. Ejemplos: KB-6167F (170 °C), S1170 (170 °C).
Nota: Para algunos productos de consumo y de red, S1141 era común. En los informes de control de calidad a veces muestra Tg = 130 °C y a veces Tg = 135 °C. Esto demuestra que las pruebas y la denominación de los grados pueden variar.
Ventajas de los materiales de alta Tg
- Mayor estabilidad: Si aumenta la Tg del sustrato de la placa de circuito impreso, aumenta también la resistencia al calor, la resistencia química, la resistencia a la humedad y la estabilidad del dispositivo.
- Mejor para diseños de alta densidad de potencia: Si un dispositivo tiene una alta densidad de potencia y una gran generación de calor, las placas de circuito impreso de alta Tg ayudan a gestionar el calor.
- Flexibilidad de diseño: Con mejores propiedades térmicas, puede cambiar el tamaño o la disposición de la placa y seguir satisfaciendo las necesidades térmicas y de potencia. Cuando el calor se gestiona mejor, se pueden utilizar placas de circuito impreso más grandes o apilamientos diferentes.
- Ideal para placas de circuito impreso multicapa y HDI: Las placas multicapa y HDI son densas. Generan mayores niveles de calor. Las placas de alta Tg ayudan a mantener la fabricación y la fiabilidad del producto.
- Mayor resistencia: Cuando aumenta la Tg, mejora la resistencia de la placa al calor, la humedad y los productos químicos. También mejora la estabilidad en servicio.
- Mejor para soldadura sin plomo: El reflujo sin plomo utiliza temperaturas más altas. Las placas con mayor Tg soportan mejor estas temperaturas.
- Menor alabeo en SMT: Los materiales de alta Tg se deforman menos durante la SMT y el reflujo. Ofrecen una mayor fiabilidad. Los riesgos como el agrietamiento a alta temperatura y la formación de ampollas de cobre son menores que con las placas de bajo Tg. En la manipulación normal, el material de alta Tg puede parecer más quebradizo, pero a alta temperatura su resistencia y estabilidad dimensional (comportamiento CTE) son mejores que los materiales de baja Tg.
Rendimiento de los PCB de alta Tg
Con el rápido crecimiento de la electrónica, los materiales de alta Tg se utilizan ampliamente en ordenadores, dispositivos de comunicación, instrumentos de precisión y equipos de prueba. Para alcanzar mayores funciones y más capas, los sustratos de PCB necesitan una mayor resistencia al calor como requisito básico. Además, con el ensamblaje de alta densidad, como las tecnologías SMT y de montaje de chips, y con la tendencia a placas más finas, agujeros más pequeños y un trazado más fino, la resistencia térmica del sustrato se convierte en un factor crítico.
La diferencia entre el FR-4 típico y el FR-4 de alta Tg se manifiesta de muchas maneras. La resistencia mecánica, la adherencia, la absorción de agua, la estabilidad dimensional y el comportamiento térmico tras la absorción de humedad varían. Bajo estrés térmico y dilatación térmica, las placas con alto contenido en Tg mantienen su forma y funcionan mejor. Por esta razón, ha aumentado la demanda de tableros con alto contenido en Tg. Su precio es superior al de los tableros estándar.
Los materiales de alta Tg son populares en la iluminación LED. Los paquetes de LED disipan más calor que las piezas normales. Una placa FR-4 con la estructura adecuada puede ser mucho más barata que una placa de núcleo metálico y seguir satisfaciendo las necesidades térmicas en algunos diseños.
¿Por qué utilizar FR-4 para fabricar placas de circuito impreso de alta tg?
Algunas aplicaciones necesitan placas de circuito impreso que funcionen a 200 °C o más. Para funcionar con fiabilidad a esas temperaturas, hay que utilizar materiales fabricados para altas temperaturas. Una elección habitual es el FR-4. Las placas FR-4 de alta Tg pueden soportar temperaturas de transición vítrea mucho más altas y seguir ofreciendo propiedades útiles:
- Mejor control de la impedancia.
- Mejor gestión térmica.
- Menor absorción de humedad.
- Rendimiento estable en servicio.
FR-4 es un epoxi ignífugo reforzado con fibra de vidrio. Tiene muchas ventajas que se adaptan a las necesidades de los PCB de alta Tg:
- Resiste muchos ciclos de laminación y se adapta a procesos complejos de PCB.
- Admite el montaje sin plomo.
- Existen muchos tipos de FR-4. Hay tipos de PTFE, PTFE relleno de cerámica y bases de hidrocarburos termoestables. Se elige en función de las necesidades.
FR-4 Propiedades especiales
FR-4 ofrece puntos fuertes clave para usos de alta demanda:
- Buen rendimiento eléctrico: Mantiene la calidad de la señal en alta frecuencia y alta temperatura.
- Puede realizar taladrados especiales y procesos de metalizado de agujeros pasantes (PTH) para placas complejas.
- La fiabilidad de la HTP es buena: Esto reduce el riesgo de fallo de conexión a alta temperatura.
- El coste es inferior al de muchos materiales de gama alta mientras que el rendimiento es bueno.
- Factor de disipación estable (Df) en comparación con otros materiales. Esto reduce la pérdida de señal.
- Buena resistencia química para resistir los productos químicos del proceso y la exposición en el campo.
- Resistencia a los golpes y a las vibraciones, además de ignífugo: Hacer las tablas más seguras en uso rudo.
- Se adapta a los diseños de PCB que necesitan un control estricto de la impedancia para señales de alta velocidad.
FR-4 High-Tg PCB Áreas de aplicación
Dado que las placas FR-4 de alta Tg manejan bien el calor, sirven para muchas industrias que necesitan un comportamiento térmico estable. Las áreas típicas incluyen:
- Informática, almacenamiento y periféricos.
- Electrónica de consumo.
- Redes y sistemas de telecomunicaciones.
- Aeroespacial y defensa.
- Productos sanitarios.
- Control e instrumentos industriales.
- Automoción y transporte.
Cómo elegir el material FR-4 adecuado
Existen muchas variantes de FR-4. Elegir el adecuado es clave porque la elección del material determina la estabilidad final de la placa de circuito impreso y su mejor rendimiento. Antes de seleccionar un sustrato, compruebe estos factores:
- Constante dieléctrica: Afecta a la velocidad de la señal y a la impedancia.
- Tangente de pérdida o factor de disipación: Afecta a la pérdida de señal.
- Conductividad térmica: Afecta a la evacuación del calor.
- Temperatura de transición vítrea (Tg): Este es el indicador principal que establece el límite superior de calor.
- Coeficiente de dilatación térmica (CTE): Afecta a la estabilidad dimensional a alta temperatura.
- Propiedades eléctricas como la resistencia de aislamiento y la tensión de ruptura.
¿Cuándo se necesita un PCB de alta Tg?
Si su placa debe soportar cargas térmicas que alcancen aproximadamente Tg + 25 °C, entonces necesita material de alto Tg. Si un producto funciona a 130 °C o más, las placas de alto Tg añaden seguridad y fiabilidad. Un factor importante es la soldadura sin plomo. Los procesos sin plomo utilizan picos de temperatura más altos. Por este motivo, muchos fabricantes de placas de circuito impreso utilizan ahora materiales de alto Tg.
Usos típicos de los PCB de alto contenido en tg
Si un producto tiene una mayor densidad de potencia y el calor afectará al disipador térmico o a otras piezas, las placas de alto Tg son una buena elección. A medida que aumente la popularidad de las placas de alto Tg, las verá donde los componentes electrónicos funcionen a temperaturas más elevadas. PHILIFAST ofrece placas de circuito impreso de alta temperatura para satisfacer muchas necesidades de la industria y cumplir las especificaciones del cliente con plazos de entrega cortos. Algunos ejemplos de aplicaciones son:
- Pasarelas y routers.
- Lectores y etiquetas RFID.
- Inversores de potencia.
- Placas de antena y RF.
- Repetidores y amplificadores inalámbricos.
- Servicios de fabricación por contrato (PCBA para clientes).
- PLC y unidades de control de bajo coste.
- Placas de desarrollo de sistemas integrados.
- Sistemas informáticos integrados.
- Módulos de alimentación de CA y fuente de alimentación.
Materiales PHILIFAST High-Tg
PHILIFAST almacena y utiliza varios materiales de alta Tg y materiales relacionados. A continuación se indican los nombres y tipos más comunes utilizados en la industria. Estos nombres son nombres comerciales y códigos de grado de los proveedores de resinas y laminados.
| Categoría de material | Modelos específicos/Nombres comerciales |
|---|---|
| High-Tg FR-4 (sin halógenos) | Shengyi S1165, Kingboard HF-170 |
| Tg normal FR-4 (sin halógenos) | Shengyi S1155, KB-6165G |
| Tipos de CTI elevados | Shengyi S1600L, KB-6165GC, KB-6169GT |
| Otros grados y nombres comerciales de FR-4 de alta 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) y calidades afines como IT180A, GETEK, PCL-370HR, serie N4000-13, S1000-2 y S1000-2M. |
Estas listas cubren muchos laminados comerciales y preimpregnados utilizados para placas de alto Tg y alto rendimiento. Puede elegir un grado en función de los datos de ensayo y de sus necesidades de proceso.
Notas clave sobre procesamiento y fiabilidad
- Los materiales de alta Tg resisten el reflujo y los múltiples ciclos de laminación. Esto facilita las construcciones multicapa complejas.
- Una Tg más alta reduce la posibilidad de delaminación durante los ciclos térmicos, pero aún así hay que controlar variables del proceso como la presión, el perfil de temperatura y el relleno de resina.
- La absorción de humedad es importante. Incluso los materiales de alta Tg pueden absorber humedad. Los procedimientos de secado y almacenamiento siguen siendo importantes para un montaje fiable.
- La coincidencia del CTE es importante. El CTE de la placa debe coincidir con el comportamiento del componente y del laminado para reducir la tensión de la unión soldada, especialmente en el caso de los BGA y los chips de gran tamaño.
- Para HDI y trabajos de paso fino, elija materiales con dieléctrico estable y baja pérdida para la integridad de la señal.
Resumen
Tg es la temperatura a la que el plástico pasa de ser duro y vidrioso a blando y gomoso. Los materiales de PCB de alta Tg mantienen su estructura y funcionamiento a temperaturas más elevadas. Ayudan a la soldadura sin plomo, a la alta densidad de potencia y a las necesidades de diseño ajustadas, como multicapa y HDI. El FR-4 sigue siendo una opción común y rentable para las placas de alto Tg. Debe elegir el grado de material que se adapte a sus necesidades eléctricas, térmicas y mecánicas. PHILIFAST ofrece muchas opciones de alto Tg para satisfacer los diferentes requisitos de la industria.