Vysokoteplotní plošný spoj

Co je deska plošných spojů s vysokou teplotou skelného přechodu (Tg)?

Ve světě desek plošných spojů (PCB) je teplota skelného přechodu (Tg) klíčovým měřítkem odolnosti substrátových materiálů vůči teplu. Označuje kritickou teplotní hranici, kdy materiál přechází z tuhého, skelného stavu do měkčího, pryžovitého stavu. Jednoduše řečeno, když je okolní teplota pod Tg, zůstává materiál tuhý; jakmile teplota překročí Tg, začne materiál měknout a mechanická pevnost a rozměrová stabilita výrazně klesat.

Vysokoteplotní desky plošných spojů (High Tg PCB) jsou desky plošných spojů vyrobené z materiálů s vysokou skelnou přechodovou teplotou (Tg). Tyto materiály jsou navrženy tak, aby vydržely pracovní prostředí s vysokou teplotou, které běžné materiály pro výrobu desek plošných spojů (například standardní FR-4, který obvykle má Tg kolem 130–140 °C) nezvládají. I za extrémního tepelného zatížení mohou vysokoteplotní desky plošných spojů udržet svou strukturální integritu, rozměrovou přesnost a stabilní elektrické vlastnosti, čímž zajistí spolehlivý provoz elektronických zařízení za vysoké teploty.

Klíčové výkonné výhody vysokoteplotních desek plošných spojů (High Tg PCB)

Důvod, proč vysokoteplotní materiály zvládají výzvy spojené s vysokou teplotou, spočívá v jejich řadě vynikajících výkonových vlastností:

1. Vynikající tepelná stabilita:

• "Ocelové kosti" při vysokých teplotách: Vysokoteplotní desky plošných spojů (High Tg PCB) mohou udržet dobré mechanické vlastnosti a tvrdost i při teplotách mnohem vyšších než u běžných materiálů. To znamená, že se deska plošných spojů nekroutí, nebo se nedeformuje či neodvrstvuje, čímž se efektivně zabrání odloupnutí součástek a poruchám pájených spojů.
  
• Výkon se nezhoršuje: Elektrické vlastnosti zůstávají stabilní i v prostředí s vysokou teplotou a nezhoršují se výrazně v důsledku zvýšení teploty.

2. Nízký koeficient teplotní roztažnosti (CTE):

• "Synchronní dýchání" snižuje napětí: Všechny materiály se při zahřívání roztahují a při chlazení smršťují. Měděné vodiče a pájené součástky na desce plošných spojů mají také své vlastní koeficienty roztažnosti. Pokud je koeficient teplotní roztažnosti substrátu desky plošných spojů příliš odlišný od koeficientu mědi a součástek, vzniká při prudkých změnách teploty během spouštění a vypínání zařízení a pájecího procesu obrovské tepelné napětí.
  
• Řešení s vysokým Tg: Materiály s vysokým Tg obvykle mají nižší CTE, které lépe odpovídá mědi a součástkám. Je to jako nechat substrát plošného spoje a měděné vodiče/součástky „dýchat synchronně“ při změnách teploty, čímž se výrazně sníží riziko únavového lomu pájených spojů, poškození měděné fólie nebo poškození vývrtů způsobeného nesouhlasnou tepelnou roztažností a výrazně se tak zlepší dlouhodobá spolehlivost produktu.

3. Vynikající rozměrová stabilita:

• Nízké CTE a vlastní vysoká tuhost společně zajišťují, že deformace a smršťování desek s vysokým Tg je v průběhu výroby a použití při opakovaném vysokém tlaku a svařování mnohem nižší než u běžných desek. To je klíčové pro udržení přesnosti u vícevrstvých desek s mnoha vrstvami a složitou strukturou, což přímo ovlivňuje výtěžek montáže a výkon konečného produktu.

4. Lepší elektrické vlastnosti při vysokých frekvencích:

• Mnoho vysokoteplotních materiálů (např. některé modifikované epoxidové pryskyřice, PPE, PTFE atd.) má nižší dielektrickou konstantu a ztrátový činitel.
  
• "Dálnice" pro přenos signálu: Nízké Dk znamená rychlejší šíření signálu; nízké Df znamená menší ztráty energie během přenosu signálu. Kombinace obou těchto vlastností umožňuje dosáhnout lepší integrity a kvality signálu u vysokofrekvenčních a vysokorychlostních aplikací, snižuje zkreslení a útlum signálu a je zvláště vhodné pro špičkové oblasti, jako je 5G, vysokorychlostní sítě a radiofrekvenční technologie.

5. Zvýšená odolnost proti vlhkosti a chemikáliím:

• Materiály s vysokou Tg obecně vykazují nižší vstřebávání vlhkosti, což znamená, že v prostředí s vysokou vlhkostí pohltí méně vlhkosti.
  
• Zabraňte problémům před jejich vznikem: Tím se nejen snižuje riziko vylouhování způsobeného absorpcí vlhkosti a roztažností, ale také se snižuje pravděpodobnost degradace elektrické izolace a iontové migrace ve vlhkém prostředí a zvyšuje se odolnost výrobku v náročných podmínkách.

Klíčová hodnota vysoce Tg PCB

Výše uvedené výkonné výhody se přímo převádějí na významnou hodnotu v praktických aplikacích:

1. Spolehlivostní skok:

Stabilní provoz za vysokých teplot (např. v motorovém prostoru automobilu, uvnitř vysokovýkonového napájení a v jádrové oblasti průmyslového zařízení), výrazně snižuje teplotní poruchy, výrazně prodlužuje životnost zařízení a celkovou spolehlivost systému.

2. Zlepšení věrnosti signálu:

Vynikající vysokofrekvenční elektrické vlastnosti jsou základem pro vysokorychlostní digitální obvody a RF aplikace, zajišťují jasný a přesný přenos klíčových signálů.

3. Rozšíření aplikačních mezí:

Průlom v teplotním limitu tradičních plošných spojů umožňuje elektronickým zařízením spolehlivě fungovat v náročnějších vysokoteplotních prostředích a otevírá nové oblasti použití.

4. Záruka výtěžku a přesnosti výroby:

Vynikající rozměrová stabilita je předpokladem pro výrobu vysokohustotních propojení (HDI) a složitých vícevrstvých desek, což zvyšuje efektivitu výroby a konzistenci produktů.

5. Dlouhodobá odolnost:

Kombinace odolnosti vůči vysoké teplotě, vlhkosti a chemikáliím poskytuje dlouhodobější ochranu elektronickým zařízením a snižuje náklady na údržbu.

Přehled klasifikace materiálů plošných spojů podle teplotního stupně Tg

Podle odolnosti proti vysoké teplotě jsou substráty plošných spojů obvykle rozděleny do různých tříd dle hodnot Tg, aby byly splněny různorodé požadavky:

1. Běžná hodnota Tg: Tg ≥ 135 °C

• Zástupné materiály: Standardní epoxidová pryskyřice FR-4.
  
• Platné scénáře: Většina spotřební elektroniky, kancelářského vybavení a dalších běžných teplotních podmínek.

2. Střední Tg: Tg ≥ 150 °C

• Výkonové vlastnosti: Lepší odolnost proti vysokým teplotám než standardní FR-4.
  
• Platné scénáře: Aplikace s mírně vyššími nároky na tepelný výkon, jako jsou například některé průmyslové řídicí zařízení, komunikační zařízení střední třídy apod.

3. Vysoká Tg:

• Tg 170 °C: Uplatnění v kontinuálních prostředích středních a vysokých teplot, jako je například automobilová elektronika a průmyslové řídicí systémy.
  
• Tg 180 °C: Lepší tepelná stabilita, běžně používaná v zařízeních komunikačních základnových stanicí, serverech a vysokorychlostní spotřební elektronice s vysokou spolehlivostí.
  
• Tg 200 °C: Vysoká odolnost proti vysokým teplotám, obvykle s lepší tepelnou vodivostí, vhodná pro elektroniku používanou v letectví a kosmonautice, průmyslová zařízení vysoké třídy a substráty pro výkonné LED osvětlení.
  
• Tg 260 °C+: Navrženo pro extrémní vysokoteplotní prostředí a elektronická zařízení s vysokou hustotou výkonu.
  
• Tg 300°C+: Nejvyšší úroveň odolnosti proti vysokým teplotám u komerčně dostupných materiálů v současnosti, používaná v nejnáročnějších leteckých, vojenských nebo speciálních průmyslových aplikacích s vysokou teplotou.

Analýza běžných klíčových materiálů pro desky plošných spojů s vysokým Tg

Realizace vysokých výkonových parametrů Tg závisí na konkrétní pryskyřicové soustavě. Níže jsou uvedeny některé z hlavních typů materiálů a jejich vlastnosti:

1. Polyimid (PI):

• Hodnota Tg: ≥ 250°C (velmi vysoká)
  
• Vlastnosti: Vynikající odolnost proti vysokým teplotám, vynikající odolnost proti chemické korozi, dobré mechanické vlastnosti, nízké uvolňování těkavých látek při vysokých teplotách, volitelná pružnost.
  
• Typické aplikace: letecký průmysl, vojenská elektronika, průmyslové senzory/řídicí zařízení pro vysoké teploty, flexibilní obvody.

2. BT epoxidová pryskyřice:

• Hodnota Tg: 180°C – 220°C
  
• Vlastnosti: Vynikající tepelná odolnost, relativně nízká dielektrická konstanta a ztráty, nízká schopnost pohlcovat vlhkost, dobrá zpracovatelnost. Vyvážený poměr výkonu a ceny na cestě k inovaci FR-4.
  
• Typické aplikace: komunikační zařízení, serverové základní desky, desky vysokorychlostních digitálních obvodů, spotřební elektronika vyšší třídy.

3. Polyfenylenoxid (PPO):

• Hodnota Tg: 175 °C – 220 °C
  
• Vlastnosti: Velmi nízké nasákavosti, velmi nízká dielektrická konstanta a ztráta, vynikající rozměrová stabilita, dobrá odolnost proti hydrolyzu.
  
• Typické aplikace: Vysokofrekvenční RF desky (např. 5G antény, radary), letecká a vesmírná elektronika, vysokorychlostní komunikační základní desky.

4. Kapalně krystalický polymer (LCP):

• Hodnota Tg: ≥ 280 °C (velmi vysoká)
  
• Vlastnosti: Téměř žádné nasákavosti, ultra nízká a stabilní dielektrická konstanta a ztráta, vynikající chemická odolnost, stabilní mechanické vlastnosti za vysokých teplot, lze vyrábět do podoby ultratenkých pružných desek.
  
• Typické aplikace: Vysokofrekvenční/vysokorychlostní konektory, 5G/6G, automobilové radary, senzory v náročném prostředí.

5. Politetrafluoretylén (PTFE) – často označován jako „Teflon“:

• Hodnota Tg: ≥ 250 °C
  
• Vlastnosti: Ultra nízká dielektrická konstanta a ztráta, vynikající chemická inertnost, vynikající vysokofrekvenční vlastnosti. Nicméně čistý PTFE má špatnou zpracovatelnost, vysokou cenu, poměrně vysoký teplotní součinitel roztažnosti (CTE) a anizotropii a je obtížné vrtat.
  
• Typické aplikace: Vysokokvalitní mikrovlnné obvody, radarové systémy, satelitní komunikace, vysokofrekvenční zkušební zařízení.

6. Keramicky plněný PTFE:

• Hodnota Tg: ≥ 250 °C
  
• Vlastnosti: Do čistého PTFE jsou přidány keramické plniva. Výrazně zlepšená stabilita, zvýšená tepelná vodivost, zlepšená mechanická pevnost a tvrdost, snadnější zpracování. Elektrické vlastnosti jsou o něco horší než u čistého PTFE, ale stále velmi dobré.
  
• Typické aplikace: Vysokofrekvenční RF/mikrovlnné výkonové zesilovače, antény základnových stanic, zařízení pro vysoké teploty a vysoké frekvence, které vyžadují dobré odvádění tepla.

7. Hydrokarbonátová keramická pryskyřice:

• Hodnota Tg: ≥ 200 °C
  
• Vlastnosti: Složený z uhlovodíkové pryskyřice a keramického plniva. Poskytuje nízkou dielektrickou konstantu, nízké ztráty, dobrou tepelnou stabilitu, vynikající rozměrovou stabilitu a zpracovatelnost, a jeho cena je obvykle nižší než u materiálů na bázi PTFE.
  
• Typické aplikace: Vysokorychlostní digitální desky plošných spojů, vysokofrekvenční RF desky plošných spojů, mikrovlnná zařízení, automobilový radar.

Proč si vybrat společnost LHD jako strategického partnera pro vysokoteplotní PCB?

Výroba desek plošných spojů s vysokou teplotou skelného přechodu (Tg) není jednoduchým rozšířením běžné výroby FR-4. Od výběru materiálu, kontroly procesu laminace, přesnosti vrtání až po konečnou povrchovou úpravu a elektrické testování – každé stadium klade téměř náročné požadavky na řízení teploty a přesnost procesu. I malé odchylky mohou vést k odlupování, prasknutí desky nebo nesplnění výkonnostních parametrů. Společnost LHD je si toho plně vědoma. S 16letou hlubokou zkušeností v oblasti speciálních desek plošných spojů se snažíme být solidním a spolehlivým „partnerem v řízení tepla“ pro vaše vysokoteplotní aplikace.

Společnost LHD vám nabízí nejen desky plošných spojů, ale také kompletní řešení ochrany při výzvách spojených s vysokou teplotou:

1. Služba přesného výběru:

Náš tým zkušených inženýrů vám doporučí nejefektivnější materiálová řešení s nejvyšší mírou shody výkonu podle vašich konkrétních aplikačních scénářů, aby se předešlo nadměrnému návrhu nebo nedostatečnému výkonu.

2. Přesná kontrola procesu:

Vybaveno plně automatickým vícestupňovým lisem s řízením teploty a online monitorovacím systémem, využívajícím exkluzivní databázi procesů, zajišťuje, aby každá vrstva laminace dosáhla optimálního stavu síťování a dosáhla výroby bez vady.

3. Komplexní tepelné řízení:

Od skladování surovin, přes teplotní sledování klíčových procesů, až po simulace extrémních prostředí (TMA, T288 atd.), je vytvořen komplexní systém záruky tepelné spolehlivosti.

4. Pružné výrobní služby

Podporuje výrobu od 1 kusového vzorku až po sériovou výrobu milionových sérií, poskytuje plný technický doprovod od optimalizace návrhu pro výrobu (DFM) po sériovou výrobu a umožňuje bezproblémové napojení.

5. Podpora společné inovace

Otevřete laboratoře materiálů a spolehlivosti, sdílejte zkušební zdroje a společně překonávejte extrémní problémy s tepelným managementem, jako jsou například u 800V elektromobilů a satelitní elektroniky.

6. Transparentní dodání hodnoty

Prostřednictvím velkého nákupu a kontroly výtěžnosti poskytujeme dlouhodobou produktovou hodnotu, která překračuje cenová očekávání, na základě transparentních nákladů.

Výběr společnosti LHD znamená výběr partnera pro výrobu desek plošných spojů (PCB), který má hluboké znalosti a extrémní kontrolu nad „teplem“. Slibujeme, že prostřednictvím špičkových technologií, přísných norem a upřímné spolupráce zajistíme, že váš elektronický systém vystavený vysokým teplotám zůstane i v náročném prostředí stejně odolný jako předtím.

Začněte nyní s návrhem „bez starostí o vysokou teplotu“!
Vítejte a kontaktujte odborný tým společnosti LHD, abyste získali technické poradenství a řešení pro desky plošných spojů (PCB) s vysokou teplotou skelného přechodu (Tg) určené pro vaši aplikaci.