PCB có nhiệt độ chuyển pha cao (high-Tg PCB) là gì?
Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Tg) là gì?
Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh, được gọi là Tg, là một trong những tính chất quan trọng nhất của nhựa và vật liệu epoxy. Tg cũng phản ánh chất lượng của vải sợi thủy tinh được sử dụng trong bảng mạch in (PCB). So với HDT (Nhiệt độ uốn cong), Tg không phải lúc nào cũng quan trọng hơn, nhưng nó vẫn có ý nghĩa. Tg là nhiệt độ khi các chuỗi dài trong nhựa bắt đầu có chuyển động phân đoạn lớn hơn.
Khi nhiệt độ sử dụng nằm dưới nhiệt độ chuyển pha (Tg), chuyển động của các đoạn chuỗi polymer chủ yếu bị đông cứng. Vật liệu thể hiện cấu trúc có trật tự cao, giống như mạng tinh thể. Nhựa trở nên cứng, dẻo và giòn. Chúng ta gọi đây là trạng thái trong suốt.
Khi nhiệt độ sử dụng vượt quá Tg, các đoạn chuỗi polymer có nhiều tự do hơn để di chuyển. Nhựa trở nên mềm hơn và dẻo hơn. Chúng ta gọi hiện tượng này là trạng thái dẻo.
Vậy Tg là nhiệt độ mà vật liệu chuyển từ trạng thái thủy tinh sang trạng thái cao su. Tg là nhiệt độ cao nhất mà vật liệu nền vẫn giữ được độ cứng. Nói cách khác, các vật liệu nền PCB thông thường sẽ mềm ra, biến dạng hoặc thậm chí chảy ở nhiệt độ cao. Đồng thời, các tính chất cơ học và điện của chúng giảm sút nhanh chóng.
Tg và Hành vi của Ban Quản trị
Tg đánh dấu một sự thay đổi rõ rệt trong tính chất vật liệu. Dưới Tg, bảng mạch giữ nguyên hình dạng và độ bền cơ học. Trên Tg, bảng mạch có thể bị uốn cong và mất độ cứng. Sự thay đổi này cũng ảnh hưởng đến các tính chất điện. Mất mát điện môi và hành vi cách điện có thể thay đổi khi nhiệt độ vượt qua Tg. Đối với thiết kế và lắp ráp PCB, việc nắm rõ Tg giúp lựa chọn vật liệu và quy trình phù hợp.
Các loại giá trị Tg của PCB
Các nhà sản xuất phân loại vật liệu bảng theo khoảng nhiệt độ Tg. Các nhóm điển hình bao gồm:
- Bảng Tg thông thường: 130 °C đến 150 °C. Ví dụ: KB-6164F (140 °C), S1141 (140 °C).
- Bảng Tg trung bình: 150 °C đến 170 °C. Ví dụ: KB-6165F (150 °C), S1141-150 (150 °C).
- Bảng có nhiệt độ chuyển pha cao (chi phí cao hơn): 170 °C trở lên. Ví dụ: KB-6167F (170 °C), S1170 (170 °C).
Lưu ý: Đối với một số sản phẩm tiêu dùng và mạng, S1141 là loại phổ biến. Trong các báo cáo kiểm tra chất lượng (QC), đôi khi nhiệt độ chuyển pha (Tg) được ghi là 130 °C và đôi khi là 135 °C. Điều này cho thấy quy trình kiểm tra và cách đặt tên cho các cấp độ sản phẩm có thể khác nhau.
Ưu điểm của vật liệu có nhiệt độ chuyển pha cao (High-Tg)
- Độ ổn định cao hơnNếu bạn tăng nhiệt độ chuyển pha (Tg) của vật liệu nền PCB, bạn cũng sẽ tăng khả năng chịu nhiệt, khả năng chống hóa chất, khả năng chống ẩm và độ ổn định của thiết bị.
- Phù hợp hơn cho các thiết kế có mật độ công suất cao.Nếu một thiết bị có mật độ công suất cao và sinh nhiệt lớn, các bảng mạch in (PCB) có nhiệt độ chuyển pha cao (high-Tg) giúp quản lý nhiệt hiệu quả.
- Tính linh hoạt trong thiết kếVới các tính năng nhiệt tốt hơn, bạn có thể thay đổi kích thước hoặc bố cục bo mạch mà vẫn đáp ứng được yêu cầu về công suất và nhiệt độ. Bạn có thể sử dụng bo mạch in (PCB) lớn hơn hoặc các cấu trúc xếp chồng khác nhau khi quản lý nhiệt được cải thiện.
- Phù hợp cho mạch in nhiều lớp và mạch in HDI.Bo mạch đa lớp và bo mạch HDI có mật độ cao. Chúng tạo ra mức nhiệt độ cao hơn. Bo mạch có nhiệt độ chuyển pha cao (High-Tg) giúp duy trì độ tin cậy trong quá trình sản xuất và sản phẩm.
- Khả năng chống chịu được cải thiệnKhi Tg tăng, khả năng chống chịu nhiệt, độ ẩm và hóa chất của bảng mạch được cải thiện. Độ ổn định trong quá trình sử dụng cũng được nâng cao.
- Tốt hơn cho hàn không chì: Quá trình hàn chảy không chì sử dụng nhiệt độ cao hơn. Các bo mạch có nhiệt độ chuyển pha (Tg) cao hơn có thể chịu được nhiệt độ này tốt hơn.
- Giảm độ cong vênh trong SMTVật liệu có nhiệt độ chuyển pha cao (High-Tg) ít biến dạng hơn trong quá trình hàn SMT và hàn chảy. Chúng mang lại độ tin cậy cao hơn. Các rủi ro như nứt do nhiệt độ cao và phồng đồng ít xảy ra hơn so với bảng mạch có nhiệt độ chuyển pha thấp (Low-Tg). Trong điều kiện sử dụng bình thường, vật liệu High-Tg có thể cảm giác giòn hơn, nhưng ở nhiệt độ cao, độ bền và tính ổn định kích thước (hành vi CTE) của nó tốt hơn so với vật liệu Low-Tg.
Hiệu suất của PCB có nhiệt độ chuyển pha cao (High-Tg)
Với sự phát triển nhanh chóng của ngành điện tử, các vật liệu có nhiệt độ chuyển pha cao (high-Tg) được sử dụng rộng rãi trong máy tính, thiết bị truyền thông, thiết bị đo lường chính xác và thiết bị kiểm tra. Để đạt được các chức năng cao hơn và nhiều lớp hơn, vật liệu nền PCB cần có khả năng chịu nhiệt cao hơn như một yêu cầu cơ bản. Ngoài ra, với các công nghệ lắp ráp mật độ cao như SMT và lắp chip, cùng với xu hướng sử dụng bảng mạch mỏng hơn, lỗ nhỏ hơn và đường dẫn mạch tinh vi hơn, khả năng chịu nhiệt của vật liệu nền trở nên quan trọng hơn bao giờ hết.
Sự khác biệt giữa FR-4 thông thường và FR-4 có nhiệt độ chuyển pha cao (high-Tg) thể hiện ở nhiều khía cạnh. Độ bền cơ học, độ bám dính, khả năng hấp thụ nước, độ ổn định kích thước và hành vi nhiệt sau khi hấp thụ độ ẩm đều có sự khác biệt. Dưới tác động của stress nhiệt và giãn nở nhiệt, các bảng mạch high-Tg duy trì hình dạng và chức năng tốt hơn. Vì lý do này, nhu cầu về các bảng mạch high-Tg đã tăng lên. Giá của chúng cao hơn so với các bảng mạch tiêu chuẩn.
Vật liệu có nhiệt độ chuyển pha cao (High-Tg) được ưa chuộng trong chiếu sáng LED. Các gói LED tỏa nhiệt nhiều hơn so với các linh kiện thông thường. Một bảng mạch FR-4 có cấu trúc phù hợp có thể rẻ hơn nhiều so với bảng mạch lõi kim loại và vẫn đáp ứng được yêu cầu nhiệt trong một số thiết kế.
Tại sao nên sử dụng FR-4 để sản xuất PCB có nhiệt độ chuyển pha cao (High-Tg)?
Một số ứng dụng yêu cầu bảng mạch in (PCB) hoạt động ở nhiệt độ 200 °C hoặc cao hơn. Để hoạt động đáng tin cậy ở nhiệt độ như vậy, chúng ta phải sử dụng vật liệu được thiết kế cho nhiệt độ cao. Một lựa chọn phổ biến là FR-4. Bảng mạch FR-4 có nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Tg) cao có thể chịu được nhiệt độ chuyển pha thủy tinh cao hơn nhiều và vẫn giữ được các tính chất hữu ích:
- Kiểm soát trở kháng được cải thiện.
- Quản lý nhiệt tốt hơn.
- Giảm khả năng hấp thụ độ ẩm.
- Hiệu suất ổn định trong quá trình hoạt động.
FR-4 là một loại nhựa epoxy chống cháy, gia cố bằng sợi thủy tinh. Nó có nhiều ưu điểm phù hợp với nhu cầu của PCB có nhiệt độ chuyển pha cao (Tg):
- Nó chịu được nhiều chu kỳ ép laminate và phù hợp với các quy trình sản xuất PCB phức tạp.
- Nó hỗ trợ lắp ráp không chứa chì.
- Có nhiều loại FR-4. Có các loại PTFE, PTFE chứa gốm và các loại nhựa nhiệt rắn gốc hydrocacbon. Bạn chọn tùy theo nhu cầu.
FR-4 Tính chất đặc biệt
FR-4 mang lại những ưu điểm nổi bật cho các ứng dụng đòi hỏi cao:
- Hiệu suất điện tốtĐiều này giúp duy trì chất lượng tín hiệu ở tần số cao và nhiệt độ cao.
- Nó có thể xử lý các quy trình khoan đặc biệt và lỗ thông qua mạ (PTH) cho các bảng mạch phức tạp.
- Độ tin cậy của PTH là tốt.Điều này giúp giảm thiểu nguy cơ mất kết nối ở nhiệt độ cao.
- Chi phí thấp hơn so với nhiều vật liệu cao cấp. Trong khi hiệu suất hoạt động tốt.
- Hệ số tiêu tán ổn định (Df) So với một số vật liệu khác. Điều này giúp giảm thiểu mất tín hiệu.
- Khả năng chống hóa chất tốt Chống lại các hóa chất trong quá trình sản xuất và tác động từ môi trường làm việc.
- Khả năng chống sốc và rung động, cùng với khả năng chống cháy.: Làm cho các tấm ván an toàn hơn trong điều kiện sử dụng khắc nghiệt.
- Nó phù hợp với các thiết kế mạch in (PCB) yêu cầu kiểm soát trở kháng chặt chẽ cho tín hiệu tốc độ cao.
Ứng dụng của PCB FR-4 có nhiệt độ chuyển pha cao (High-Tg)
Vì các bảng mạch FR-4 có nhiệt độ chuyển pha cao (high-Tg) có khả năng chịu nhiệt tốt, chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp yêu cầu tính ổn định nhiệt. Các lĩnh vực điển hình bao gồm:
- Máy tính, lưu trữ và thiết bị ngoại vi.
- Thiết bị điện tử tiêu dùng.
- Hệ thống mạng và viễn thông.
- Hàng không vũ trụ và quốc phòng.
- Thiết bị y tế.
- Điều khiển công nghiệp và thiết bị đo lường.
- Ô tô và vận tải.
Cách chọn vật liệu FR-4 phù hợp
Có nhiều biến thể của FR-4. Việc lựa chọn đúng loại là rất quan trọng vì sự lựa chọn vật liệu quyết định độ ổn định cuối cùng của PCB và hiệu suất tối ưu. Trước khi chọn vật liệu nền, hãy kiểm tra các yếu tố sau:
- Hằng số điện môiNó ảnh hưởng đến tốc độ tín hiệu và trở kháng.
- Hệ số tổn hao hoặc hệ số tiêu tánNó ảnh hưởng đến việc mất tín hiệu.
- Độ dẫn nhiệtNó ảnh hưởng đến quá trình tản nhiệt.
- Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Tg)Đây là chỉ số chính xác định giới hạn nhiệt độ tối đa.
- Hệ số giãn nở nhiệt (CTE)Nó ảnh hưởng đến tính ổn định kích thước ở nhiệt độ cao.
- Tính chất điện như điện trở cách điện và điện áp phá hủy.
Khi nào bạn cần một bảng mạch in (PCB) có nhiệt độ chuyển pha cao (High-Tg)?
Nếu bảng mạch của bạn phải chịu được tải nhiệt lên đến khoảng Tg + 25 °C, thì bạn cần sử dụng vật liệu có nhiệt độ chuyển pha cao (high-Tg). Nếu sản phẩm hoạt động ở nhiệt độ 130 °C hoặc cao hơn, bảng mạch có nhiệt độ chuyển pha cao sẽ tăng cường độ an toàn và độ tin cậy. Một yếu tố chính là hàn không chì. Quy trình hàn không chì sử dụng nhiệt độ đỉnh cao hơn. Vì lý do này, nhiều nhà sản xuất PCB hiện nay đã chuyển sang sử dụng vật liệu có nhiệt độ chuyển pha cao.
Các ứng dụng điển hình của PCB có nhiệt độ chuyển pha cao (High-Tg)
Nếu một sản phẩm có mật độ công suất cao và nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến bộ tản nhiệt hoặc các bộ phận khác, các bo mạch có nhiệt độ chuyển pha cao (high-Tg) là lựa chọn phù hợp. Khi các bo mạch high-Tg ngày càng phổ biến, bạn sẽ thấy chúng được sử dụng trong các ứng dụng điện tử hoạt động ở nhiệt độ cao. PHILIFAST cung cấp các bo mạch PCB chịu nhiệt cao để đáp ứng nhiều nhu cầu của ngành công nghiệp và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của khách hàng với thời gian giao hàng ngắn. Các ứng dụng điển hình bao gồm:
- Cổng và bộ định tuyến.
- Đầu đọc và thẻ RFID.
- Biến tần điện.
- Bo mạch ăng-ten và bo mạch RF.
- Bộ lặp và bộ khuếch đại tín hiệu không dây.
- Dịch vụ gia công theo hợp đồng (PCBA cho khách hàng).
- Bộ điều khiển PLC và các đơn vị điều khiển giá rẻ.
- Bo mạch phát triển hệ thống nhúng.
- Hệ thống máy tính nhúng.
- Nguồn điện AC và mô-đun nguồn điện.
PHILIFAST Vật liệu có nhiệt độ chuyển pha cao (High-Tg)
PHILIFAST cung cấp và sử dụng nhiều loại vật liệu có nhiệt độ chuyển pha cao (Tg) và các vật liệu liên quan. Dưới đây là các tên gọi và loại vật liệu phổ biến được sử dụng trong ngành. Những tên gọi này là tên thương mại và mã cấp độ từ các nhà cung cấp nhựa và vật liệu composite.
| Loại vật liệu | Các mẫu cụ thể/Tên thương mại |
|---|---|
| FR-4 có nhiệt độ chuyển pha cao (không chứa halogen) | Shengyi S1165, Kingboard HF-170 |
| Tg FR-4 thông thường (không chứa halogen) | Shengyi S1155, KB-6165G |
| Các loại có chỉ số CTI cao | Shengyi S1600L, KB-6165GC, KB-6169GT |
| Các loại FR-4 có nhiệt độ chuyển pha cao (Tg) khác và tên thương mại | 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) và các loại tương tự như IT180A, GETEK, PCL-370HR, series N4000-13, S1000-2 và S1000-2M |
Các danh sách này bao gồm nhiều loại laminate và prepreg thương mại được sử dụng cho các bảng mạch có nhiệt độ chuyển pha cao (Tg) và hiệu suất cao. Bạn có thể lựa chọn loại phù hợp dựa trên dữ liệu thử nghiệm và yêu cầu của quy trình sản xuất.
Ghi chú về xử lý và độ tin cậy
- Vật liệu có nhiệt độ chuyển pha cao (High-Tg) có khả năng chống lại quá trình tái chảy và nhiều chu kỳ ép lớp. Điều này giúp tạo ra các cấu trúc đa lớp phức tạp.
- Nhiệt độ chuyển pha (Tg) cao hơn giúp giảm nguy cơ bong tróc trong quá trình chu kỳ nhiệt, nhưng bạn vẫn cần kiểm soát các biến số quá trình như áp suất, đường cong nhiệt độ và lượng nhựa được đổ.
- Khả năng hấp thụ độ ẩm là yếu tố quan trọng. Ngay cả các vật liệu có nhiệt độ chuyển pha cao (Tg) cũng có thể hấp thụ độ ẩm. Quy trình sấy khô và bảo quản vẫn là yếu tố quan trọng để đảm bảo quá trình lắp ráp đáng tin cậy.
- Trận đấu CTE là rất quan trọng. Bảng CTE cần phải phù hợp với hành vi của linh kiện và vật liệu laminate để giảm stress tại mối hàn, đặc biệt là đối với các linh kiện BGA và chip lớn.
- Đối với các ứng dụng HDI và mạch có khoảng cách chân nhỏ, hãy chọn vật liệu có điện môi ổn định và tổn hao thấp để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu.
Tóm tắt
Tg là nhiệt độ mà nhựa chuyển từ trạng thái cứng và trong suốt sang mềm và dẻo. Vật liệu PCB có nhiệt độ Tg cao duy trì cấu trúc và chức năng ở nhiệt độ cao. Chúng hỗ trợ hàn không chì, mật độ công suất cao và các yêu cầu thiết kế phức tạp như mạch đa lớp và HDI. FR-4 vẫn là lựa chọn phổ biến và hiệu quả về chi phí cho các bảng mạch có nhiệt độ Tg cao. Bạn cần chọn loại vật liệu phù hợp với yêu cầu điện, nhiệt và cơ học của mình. PHILIFAST cung cấp nhiều tùy chọn vật liệu có nhiệt độ Tg cao để đáp ứng các yêu cầu khác nhau của ngành công nghiệp.