Mikä on korkean Tg:n PCB?
Mikä on lasittumislämpötila (Tg)?
Lasittumislämpötila, jota kutsutaan Tg, on yksi muovien ja epoksimateriaalien tärkeimmistä ominaisuuksista. Tg osoittaa myös piirilevyissä käytettävän lasikuitukankaan laadun. Verrattuna HDT:hen (Heat Deflection Temperature) Tg ei ole aina tärkeämpi, mutta sillä on silti merkitystä. Tg on lämpötila, jossa muovin pitkät ketjut saavat suuremman segmenttiliikkeen.
Kun käyttölämpötila on alle Tg:n, polymeeriketjun segmenttien liike on enimmäkseen jäätynyt. Materiaalissa on järjestäytyneempi, ristikkomainen rakenne. Muovi on kovaa, jäykkää ja haurasta. Kutsumme tätä lasinen tila.
Kun käyttölämpötila on Tg:n yläpuolella, polymeeriketjun segmentit voivat liikkua vapaammin. Muovista tulee pehmeämpiä ja joustavampia. Kutsumme tätä kumimainen tila.
Tg on siis lämpötila, jossa materiaali muuttuu lasimaisesta kumimaiseksi. Tg on korkein lämpötila, jossa substraatti säilyttää jäykkyytensä. Toisin sanoen tavalliset piirilevyn substraattimateriaalit pehmenevät, deformoituvat tai jopa sulavat korkeassa lämpötilassa. Samalla niiden mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet heikkenevät nopeasti.
Tg ja hallituksen käyttäytyminen
Tg merkitsee selvää muutosta materiaalin käyttäytymisessä. Tg:n alapuolella levy säilyttää muotonsa ja mekaanisen lujuutensa. Tg:n yläpuolella levy voi taipua ja menettää jäykkyyttä. Tämä muutos vaikuttaa myös sähköisiin ominaisuuksiin. Dielektrinen häviö ja eristyskäyttäytyminen voivat muuttua, kun lämpötila ylittää Tg-arvon. Piirilevysuunnittelussa ja kokoonpanossa Tg:n tunteminen auttaa valitsemaan oikeat materiaalit ja prosessit.
PCB Tg -arvojen luokat
Valmistajat jakavat levymateriaalit Tg-alueiden mukaan. Tyypillisiä ryhmiä ovat:
- Normaalit Tg-levyt: 130 °C-150 °C. Esimerkkejä: KB-6164F (140 °C), S1141 (140 °C).
- Keskikokoiset Tg-levyt: 150 °C-170 °C. Esimerkkejä: KB-6165F (150 °C), S1141-150 (150 °C).
- Korkean Tg:n levyt (korkeammat kustannukset): 170 °C ja sitä korkeammat lämpötilat. Esimerkkejä: KB-6167F (170 °C), S1170 (170 °C).
Huomautus: Joissakin kuluttaja- ja verkkotuotteissa S1141 oli yleinen. Laadunvalvontaraporteissa se ilmoittaa joskus Tg = 130 °C ja joskus Tg = 135 °C. Tämä osoittaa, että testaus ja laatuluokkien nimeäminen voi vaihdella.
Korkean Tg-pitoisuuden omaavien materiaalien edut
- Suurempi vakaus: Jos nostat piirilevyn substraatin Tg:tä, nostat myös lämmönkestävyyttä, kemiallista kestävyyttä, kosteudenkestävyyttä ja laitteen vakautta.
- Parempi korkean tehotiheyden malleissa: Jos laitteessa on suuri tehotiheys ja suuri lämmöntuotanto, korkean Tg:n piirilevyt auttavat hallitsemaan lämpöä.
- Suunnittelun joustavuus: Parempien lämpöominaisuuksien ansiosta voit muuttaa piirilevyn kokoa tai asettelua ja silti täyttää teho- ja lämpövaatimukset. Voit käyttää suurempia piirilevyjä tai erilaisia pinoja, kun lämpöä hallitaan paremmin.
- Ihanteellinen monikerroksisille ja HDI-piirilevyille: Monikerros- ja HDI-levyt ovat tiheitä. Ne aiheuttavat suurempia lämpöarvoja. Korkean Tg:n levyjen avulla voidaan säilyttää valmistuksen ja tuotteen luotettavuus.
- Parannettu vastustuskyky: Kun Tg nousee, levyn lämmön-, kosteuden- ja kemikaalinkestävyys paranee. Myös käyttövakaus paranee.
- Parempi lyijytöntä juottamista varten: Lyijytön reflow käyttää korkeampia lämpötiloja. Levyt, joilla on korkeampi Tg, kestävät nämä lämpötilat paremmin.
- Pienempi vääntyminen SMT:ssä: Korkean Tg:n materiaalit deformoituvat vähemmän SMT:n ja uudelleen sulatuksen aikana. Ne antavat suuremman luotettavuuden. Korkean lämpötilan halkeilun ja kuparin rakkuloiden muodostumisen kaltaiset riskit ovat pienemmät kuin matalan Tg:n levyissä. Normaalissa käsittelyssä korkean Tg:n materiaalit voivat tuntua hauraammilta, mutta korkeassa lämpötilassa niiden lujuus ja mittapysyvyys (CTE-käyttäytyminen) ovat parempia kuin matalan Tg:n materiaalien.
Korkean Tg:n piirilevyjen suorituskyky
Elektroniikan nopean kasvun myötä korkean Tg:n materiaaleja käytetään laajalti tietokoneissa, viestintälaitteissa, tarkkuuskojeissa ja testauslaitteissa. Korkeampien toimintojen ja useampien kerrosten saavuttamiseksi PCB-alustat tarvitsevat perusvaatimuksena korkeampaa lämmönkestävyyttä. Myös tiheän kokoonpanon, kuten SMT- ja siruasennustekniikoiden, sekä ohuempiin levyihin, pienempiin reikiin ja hienompaan reititykseen suuntautuvien suuntausten myötä substraatin lämmönkestävyydestä tulee kriittinen.
Tyypillisen FR-4:n ja korkean Tg:n FR-4:n välinen ero näkyy monin tavoin. Mekaaninen lujuus, tarttuvuus, veden imeytyminen, mittapysyvyys ja lämpökäyttäytyminen kosteuden imeytymisen jälkeen vaihtelevat. Lämpörasituksessa ja lämpölaajenemisessa korkean Tg:n levyt säilyttävät muotonsa ja toimivat paremmin. Tästä syystä korkean Tg-arvon levyjen kysyntä on kasvanut. Niiden hinta on korkeampi kuin standardilevyjen.
Korkean Tg-arvon materiaalit ovat suosittuja LED-valaistuksessa. LED-paketit haihduttavat enemmän lämpöä kuin tavalliset osat. Oikealla rakenteella varustettu FR-4-levy voi olla paljon halvempi kuin metalliydinlevy ja silti täyttää lämpövaatimukset joissakin malleissa.
Miksi käyttää FR-4: ää korkean Tg-piirilevyjen valmistukseen?
Joissakin sovelluksissa tarvitaan piirilevyjä, jotka toimivat 200 °C:ssa tai korkeammassa lämpötilassa. Jotta ne toimisivat luotettavasti tällaisissa lämpötiloissa, meidän on käytettävä korkeisiin lämpötiloihin tarkoitettuja materiaaleja. Yksi yleinen valinta on FR-4. High-Tg FR-4-levyt kestävät paljon korkeampia lasittumislämpötiloja ja niillä on silti käyttökelpoiset ominaisuudet:
- Parannettu impedanssin säätö.
- Parempi lämmönhallinta.
- Alhaisempi kosteuden imeytyminen.
- Vakaa suorituskyky käytössä.
FR-4 on palonkestävä, lasikuituvahvisteinen epoksi. Sillä on monia etuja, jotka sopivat korkean Tg:n piirilevyjen tarpeisiin:
- Se kestää monia laminointisyklejä ja sopii monimutkaisiin PCB-prosesseihin.
- Se tukee lyijytöntä kokoonpanoa.
- FR-4-tyyppejä on monia. On olemassa PTFE-tyyppejä, keraamisesti täytettyä PTFE:tä ja lämpökovettuneita hiilivetypohjia. Valitset tarpeen mukaan.
FR-4 Erityisominaisuudet
FR-4 tarjoaa keskeisiä vahvuuksia vaativiin käyttötarkoituksiin:
- Hyvä sähköinen suorituskyky: Tämä säilyttää signaalin laadun korkeilla taajuuksilla ja korkeissa lämpötiloissa.
- Se pystyy käsittelemään erikoisporauksia ja pinnoitettuja läpireikiä (PTH) monimutkaisten levyjen valmistuksessa.
- PTH:n luotettavuus on hyvä: Tämä pienentää liitäntävian riskiä korkeissa lämpötiloissa.
- Kustannukset ovat alhaisemmat kuin monilla korkealaatuisilla materiaaleilla kun taas suorituskyky on hyvä.
- Vakaa häviökerroin (Df) verrattuna joihinkin muihin materiaaleihin. Tämä vähentää signaalihäviöitä.
- Hyvä kemiallinen kestävyys kestämään prosessikemikaaleja ja kenttäaltistusta.
- Iskun- ja tärinänkestävyys sekä liekinvaimennus.: Tee laudoista turvallisempia kovassa käytössä.
- Se sopii piirilevymalleihin, jotka tarvitsevat tiukkaa impedanssin hallintaa nopeille signaaleille.
FR-4 High-Tg PCB-sovellusalueet
Koska korkean Tg-ominaisuuden omaavat FR-4-levyt käsittelevät lämpöä hyvin, ne sopivat monille teollisuudenaloille, jotka tarvitsevat vakaata lämpökäyttäytymistä. Tyypillisiä aloja ovat mm:
- Tietokoneet, tallennustilat ja oheislaitteet.
- Viihde-elektroniikka.
- Verkko- ja televiestintäjärjestelmät.
- Ilmailu- ja avaruusala sekä puolustusala.
- Lääkinnälliset laitteet.
- Teollisuuden ohjaus ja instrumentit.
- Auto- ja kuljetusala.
Kuinka valita oikea FR-4-materiaali
FR-4-versioita on monia. Oikean valinta on avainasemassa, koska materiaalivalinta määrittää lopullisen piirilevyn vakauden ja parhaan suorituskyvyn. Tarkista nämä tekijät ennen alustan valintaa:
- Dielektrisyysvakio: Se vaikuttaa signaalin nopeuteen ja impedanssiin.
- Häviötangentti tai häviökerroin: Se vaikuttaa signaalin häviämiseen.
- Lämmönjohtavuus: Se vaikuttaa lämmön poistoon.
- Lasittumislämpötila (Tg): Tämä on ydinindikaattori, joka asettaa lämmön ylärajan.
- Lämpölaajenemiskerroin (CTE): Vaikuttaa mittapysyvyyteen korkeassa lämpötilassa.
- Sähköiset ominaisuudet kuten eristysresistanssi ja läpilyöntijännite.
Milloin tarvitset korkean Tg-piirilevyn?
Jos piirilevyn on kestettävä lämpökuormitusta, joka on noin Tg + 25 °C, tarvitset korkean Tg:n materiaalia. Jos tuote toimii 130 °C:n tai sitä korkeammassa lämpötilassa, korkean Tg:n piirilevyt lisäävät turvallisuutta ja luotettavuutta. Tärkein tekijä on lyijytön juottaminen. Lyijyttömissä prosesseissa käytetään korkeampia huippulämpötiloja. Tästä syystä monet piirilevyvalmistajat käyttävät nykyään korkean Tg:n materiaaleja.
Korkean Tg-pitoisuuden omaavien PCB:iden tyypilliset käyttötarkoitukset
Jos tuotteen tehotiheys on suurempi ja lämpö vaikuttaa jäähdytyselementtiin tai muihin osiin, korkean Tg-arvon piirilevyt ovat hyvä valinta. Kun korkean Tg-arvon piirilevyjen suosio kasvaa, niitä käytetään siellä, missä elektroniikka toimii korkeammissa lämpötiloissa. PHILIFAST tarjoaa korkean lämpötilan piirilevyjä, jotka täyttävät monia teollisuuden tarpeita ja täyttävät asiakkaiden vaatimukset lyhyellä toimitusajalla. Esimerkkisovelluksia ovat mm:
- Yhdyskäytävät ja reitittimet.
- RFID-lukijat ja -tunnisteet.
- Tehosuuntaaja.
- Antenni- ja RF-levyt.
- Langattomat toistimet ja vahvistimet.
- Sopimusvalmistuspalvelut (PCBA asiakkaille).
- Edulliset PLC- ja ohjausyksiköt.
- Sulautettujen järjestelmien kehityslevyt.
- Sulautetut tietokonejärjestelmät.
- Vaihtovirta- ja virtalähdemoduulit.
PHILIFAST High-Tg-materiaalit
PHILIFAST varastoi ja käyttää useita korkean Tg-arvon omaavia ja niihin liittyviä materiaaleja. Alla on lueteltu alalla yleisesti käytettyjä nimiä ja tyyppejä. Nämä nimet ovat hartsi- ja laminaattitoimittajien kauppanimiä ja laatukoodeja.
| Materiaaliluokka | Erityismallit/kauppanimet |
|---|---|
| High-Tg FR-4 (halogeenivapaa) | Shengyi S1165, Kingboard HF-170 |
| Normaali Tg FR-4 (halogeeniton) | Shengyi S1155, KB-6165G |
| Korkeat CTI-tyypit | Shengyi S1600L, KB-6165GC, KB-6169GT |
| Muut korkean Tg:n FR-4-laadut ja kauppanimet | 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) ja niihin liittyvät laadut, kuten IT180A, GETEK, PCL-370HR, N4000-13-sarja, S1000-2 ja S1000-2M. |
Nämä luettelot kattavat monia kaupallisia laminaatteja ja prepregejä, joita käytetään korkean Tg:n ja korkean suorituskyvyn levyissä. Voit valita laatuluokan testitietojen ja prosessin tarpeiden mukaan.
Tärkeimmät käsittelyä ja luotettavuutta koskevat huomautukset
- Korkean Tg-ominaisuuden omaavat materiaalit kestävät uudelleen sulatusta ja useita laminointisyklejä. Tämä auttaa monimutkaisten monikerrosrakenteiden rakentamisessa.
- Korkeampi Tg vähentää delaminaation mahdollisuutta lämpösyklien aikana, mutta prosessimuuttujia, kuten painetta, lämpötilaprofiilia ja hartsitäyttöä, on silti valvottava.
- Kosteuden imeytymisellä on merkitystä. Jopa korkean Tg:n materiaalit voivat imeä kosteutta. Kuivaus- ja varastointimenettelyillä on edelleen merkitystä luotettavan kokoonpanon kannalta.
- CTE-ottelu on tärkeä. Levyn CTE:n tulisi vastata komponentin ja laminaatin käyttäytymistä juotosliitoksen rasituksen vähentämiseksi, erityisesti BGA:iden ja suurten sirujen osalta.
- Valitse HDI- ja hienojakoisiin töihin materiaaleja, joiden dielektrinen rakenne on vakaa ja signaalin eheyden kannalta häviöt ovat pienet.
Yhteenveto
Tg on lämpötila, jossa muovi muuttuu kovasta ja lasimaisesta pehmeäksi ja kumimaiseksi. Korkean Tg:n piirilevymateriaalit säilyttävät rakenteen ja toiminnan korkeammissa lämpötiloissa. Ne auttavat lyijyttömiä juotoksia, suurta tehotiheyttä ja tiukkoja suunnittelutarpeita, kuten monikerroksisuutta ja HDI:tä. FR-4 on edelleen yleinen ja kustannustehokas valinta korkean Tg:n piirilevyihin. Sinun on valittava materiaalilaatu, joka sopii sähköisiin, termisiin ja mekaanisiin tarpeisiisi. PHILIFAST tarjoaa monia korkean Tg:n vaihtoehtoja, jotka täyttävät teollisuuden eri vaatimukset.