Hohe TG PCB

Was ist eine Hoch-TG-Leiterplatte?

In der Welt der Leiterplatten (PCBs) ist die Glasübergangstemperatur (Tg) ein entscheidendes Maß für die Wärmebeständigkeit der Substratmaterialien. Sie markiert den kritischen Temperaturpunkt, bei dem sich das Material von einem harten, glasigen physikalischen Zustand in einen weicheren, gummiartigen Zustand verändert. Einfach ausgedrückt: Solange die Umgebungstemperatur unterhalb von Tg liegt, bleibt das Material stabil und steif; sobald die Temperatur Tg überschreitet, beginnt das Material zu erweichen, und die mechanische Festigkeit sowie die Formstabilität sinken erheblich.

Hoch-Tg-Leiterplatten sind gedruckte Schaltungen, die aus Materialien mit hohen Glasübergangstemperaturen (Tg) hergestellt werden. Diese Materialien sind darauf ausgelegt, mit hohen Arbeitstemperaturen umzugehen, denen herkömmliche Leiterplattenmaterialien (wie Standard-FR-4, das üblicherweise eine Tg von etwa 130–140 °C aufweist) nicht standhalten können. Selbst unter extremen thermischen Belastungen können Hoch-Tg-Leiterplatten ihre strukturelle Integrität, dimensionale Genauigkeit und stabile elektrische Eigenschaften beibehalten und gewährleisten somit eine zuverlässige Funktion elektronischer Geräte bei hohen Temperaturen.

Kernleistungsvorteile von Hoch-Tg-Leiterplatten

Der Grund dafür, dass Hoch-Tg-Materialien hohen Temperaturbelastungen standhalten können, liegt in ihren hervorragenden Leistungseigenschaften:

1. Hervorragende thermische Stabilität:

• "Stahlknochen" bei hohen Temperaturen: Hochtemperatur-PCBs können auch bei deutlich höheren Temperaturen als herkömmliche Materialien weiterhin eine gute mechanische Festigkeit und Härte aufrechterhalten. Dies bedeutet, dass die Leiterplatte nicht leicht verformt, verzogen oder entlaminiert wird und somit effektiv verhindert, dass Bauteile abfallen oder Lötstellen versagen.
  
• Leistung fällt nicht weg": Ihre elektrischen Eigenschaften bleiben auch in Hochtemperaturumgebungen stabil und verschlechtern sich selbst bei Temperaturerhöhungen nicht signifikant.

2. Geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE):

• "Gleichzeitiges Atmen" reduziert Spannungen: Alle Materialien dehnen sich beim Erwärmen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Die Kupferleiterbahnen und gelöteten Bauteile auf der Leiterplatte besitzen ebenfalls eigene Ausdehnungskoeffizienten. Wenn der Ausdehnungskoeffizient des Leiterplattenmaterials zu stark von dem von Kupfer und den Bauteilen abweicht, entstehen bei plötzlichen Temperaturwechseln während des Gerätestarts, der Abschaltung oder des Lötprozesses enorme thermische Spannungen.
  
• High-Tg-Lösung: Hoch-Tg-Materialien weisen in der Regel eine geringere Wärmeausdehnung auf, die besser zu Kupfer und Bauelementen passt. Dies ermöglicht es dem Leiterplatten-Substrat und den Kupferleitungen/Bauteilen, sich bei Temperaturveränderungen »gleichmäßig auszudehnen«, wodurch das Risiko von Lötstellen-Ermüdungsbrüchen, Kupferfolienbrüchen oder Durchkontaktierungs-Schäden aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung stark reduziert und die langfristige Zuverlässigkeit des Produkts erheblich verbessert wird.

3. Hervorragende Formstabilität:

• Die geringe Wärmeausdehnung zusammen mit der hohen Steifigkeit sorgen dafür, dass die Verzug- und Schrumpfungsneigung von Hoch-Tg-Leiterplatten im Herstellungsprozess und in der Anwendungsumgebung mit mehrfachen Hochtemperaturpress- und Schweißvorgängen deutlich geringer ist als bei herkömmlichen Leiterplatten. Dies ist entscheidend, um die Präzision bei mehrschichtigen und komplex aufgebauten Leiterplatten zu bewahren, was sich direkt auf die Fertigungsrendite und die Leistung des Endprodukts auswirkt.

4. Bessere Hochfrequenz-Eigenschaften:

• Viele Hoch-Tg-Materialien (wie z. B. einige modifizierte Epoxidharze, PPE, PTFE usw.) weisen niedrigere Dielektrizitätskonstanten und geringere Verlustfaktoren auf.
  
• „Autobahn“ für die Signalübertragung: Ein niedriger Dk-Wert bedeutet schnellere Signalübertragung; ein niedriger Df-Wert bedeutet geringeren Energieverlust während der Signalübertragung. Die Kombination aus beiden ermöglicht es Hoch-Tg-Leiterplatten, die Signalintegrität und -qualität in Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen besser zu gewährleisten, Signalverzerrungen und -dämpfungen zu reduzieren und ist besonders für zukunftsweisende Bereiche wie 5G, Hochgeschwindigkeitsnetze und Radiofrequenz geeignet.

5. Erhöhte Feuchtigkeits- und Chemikalienbeständigkeit:

• Hoch-Tg-Materialien weisen in der Regel eine geringere Wasseraufnahme auf, was bedeutet, dass sie in feuchten Umgebungen weniger Feuchtigkeit aufnehmen.
  
• Vermeiden Sie Probleme, bevor sie auftreten: Dies reduziert nicht nur das Risiko von Delamination durch Feuchtigkeitsaufnahme und Ausdehnung, sondern verringert auch die Möglichkeit einer Verschlechterung der elektrischen Isolierung und von Ionenmigration in feuchter Umgebung und verbessert die Langlebigkeit des Produkts in anspruchsvollen Umgebungen.

Kernwert durch High-Tg-PCBs

Die oben genannten Leistungsvorteile übersetzen sich direkt in bedeutende Werte in praktischen Anwendungen:

1. Zuverlässigkeitssteigerung:

Stabiler Betrieb unter hohen Temperaturen (z. B. im Motorraum von Fahrzeugen, innerhalb von Hochleistungsnetzteilen und im Kernbereich von Industrieanlagen), wodurch wärmeverursachte Ausfälle stark reduziert werden, die Lebensdauer der Geräte sowie die Gesamtzuverlässigkeit des Systems deutlich erhöht wird.

2. Verbesserung der Signalgenauigkeit:

Hervorragende Hochfrequenz-Eigenschaften sind die Grundlage für Hochgeschwindigkeits-Digital-Schaltungen und HF-Anwendungen und gewährleisten eine klare und präzise Übertragung entscheidender Signale.

3. Erweiterung der Anwendungsgrenzen:

Durchbruch der Temperaturbegrenzung herkömmlicher Leiterplatten, wodurch elektronische Geräte zuverlässig in strengen Hochtemperaturumgebungen betrieben werden können und neue Anwendungsbereiche eröffnet werden.

4. Fertigungsausbeute und Präzisionsgarantie:

Hervorragende Maßstabilität ist die Voraussetzung für die Herstellung hochdichter Verbindungen (HDI) und komplexer Mehrlagenplatten, wodurch die Produktionseffizienz und Produktspezifikonskonsistenz verbessert werden.

5. Langfristige Langlebigkeit:

In Kombination mit hoher Temperaturbeständigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit und Chemikalienbeständigkeit bietet es langfristigen Schutz für elektronische Geräte und reduziert Wartungskosten.

Leitfaden zur Tg-Temperaturgradklassifizierung von Leiterplattenmaterialien

Basierend auf der Wärmebeständigkeit werden Leiterplattenbasismaterialien üblicherweise anhand ihrer Tg-Werte in verschiedene Grade eingeteilt, um unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen:

1. Normales Tg: Tg ≥ 135°C

• Typische Materialien: Standard-FR-4-Epoxidharz.
  
• Anwendungsgebiete: Die meisten Verbraucherprodukte, Büroeinrichtungen und andere konventionelle Temperaturumgebungen.

2. Mittlere Tg: Tg ≥ 150°C

• Leistungsmerkmale: Bessere Wärmebeständigkeit als Standard-FR-4.
  
• Anwendungsgebiete: Anwendungen mit etwas höheren Anforderungen an die thermische Leistung, wie z. B. einige Industriesteuergeräte, Mittelklasse-Kommunikationsgeräte usw.

3. Hohe Tg:

• Tg 170°C: Geeignet für kontinuierliche mittlere und hohe Temperaturen, wie z. B. in Automobil-Elektronik und Industriesteuerungen.
  
• Tg 180°C: Bessere thermische Stabilität, üblicherweise eingesetzt in Kommunikationsbasisstationen, Servern und hochzuverlässigen Verbraucherproduktelektroniken.
  
• Tg 200°C: Hohe Wärmebeständigkeit, in der Regel mit besserer Wärmeleitfähigkeit, geeignet für Luftfahrt- und Raumfahrt-Elektronik, hochwertige Industrieausrüstung und Hochleistungs-LED-Beleuchtungssubstrate.
  
• Tg 260°C+: Konzipiert für extrem hohe Temperaturumgebungen und elektronische Geräte mit hoher Leistungsdichte.
  
• Tg 300°C+: Das derzeit höchste Wärmewiderstandsniveau kommerziell verfügbarer Materialien, eingesetzt in den anspruchsvollsten Hochtemperaturanwendungen der Luft- und Raumfahrt, Militärelektronik oder spezieller Industrieanwendungen.

Analyse gängiger Schlüsselmaterialien für Hoch-Tg-Leiterplatten

Die Erreichung von Hoch-Tg-Eigenschaften hängt von einem spezifischen Harzsystem ab. Hier sind mehrere etablierte Materialtypen sowie deren Eigenschaften aufgeführt:

1. Polyimid (PI):

• Tg-Wert: ≥ 250°C (sehr hoch)
  
• Eigenschaften: Hervorragende Temperaturbeständigkeit, hervorragende chemische Korrosionsbeständigkeit, gute mechanische Eigenschaften, geringe Freisetzung flüchtiger Bestandteile bei hohen Temperaturen, optional flexibel.
  
• Typische Anwendungen: Luft- und Raumfahrt, Militärelektronik, Hochtemperatursensoren/-regler für die Industrie, flexible Schaltungen.

2. BT-Epoxidharz:

• Tg-Wert: 180°C – 220°C
  
• Eigenschaften: Hervorragende Wärmebeständigkeit, relativ niedrige Dielektrizitätskonstante und geringe Verluste, geringe Wasseraufnahme, gute Verarbeitbarkeit. Ausgewogene Leistung und Kosten auf dem FR-4-Aufrüstpfad.
  
• Typische Anwendungen: Kommunikationsgeräte, Server-Motherboards, Hochgeschwindkeits-Digital-Leiterplatten, High-End-Consumer-Electronics.

3. Polyphenylenoxid (PPO):

• Tg-Wert: 175 °C – 220 °C
  
• Eigenschaften: Sehr geringe Wasseraufnahme, sehr geringe Dielektrizitätskonstante und Verluste, hervorragende Formstabilität, gute Hydrolysebeständigkeit.
  
• Typische Anwendungen: Hochfrequenz-RF-Leiterplatten (z. B. 5G-Antennen, Radar), Luftfahrt-Elektronik, Hochgeschwindigkeitskommunikations-Backplanes.

4. Flüssigkristallines Polymer (LCP):

• Tg-Wert: ≥ 280 °C (sehr hoch)
  
• Eigenschaften: Nahezu keine Wasseraufnahme, ultraniedrige und stabile Dielektrizitätskonstante und Verluste, hervorragende chemische Beständigkeit, stabile mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen, kann als ultradünne flexible Leiterplatte hergestellt werden.
  
• Typische Anwendungen: Hochfrequenz/Hochgeschwindigkeits-Steckverbinder, 5G/6G, Fahrzeugradare, Sensoren für raue Umgebungen.

5. Polytetrafluorethylen (PTFE) – häufig als „Teflon“ bezeichnet:

• Tg-Wert: ≥ 250°C
  
• Eigenschaften: Ultra-niedrige Dielektrizitätskonstante und geringe Verluste, hervorragende chemische Inertheit, exzellente Hochfrequenzleistung. Allerdings weist reines PTFE eine schlechte Verarbeitbarkeit, hohe Kosten, eine relativ hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) und Anisotropie sowie schwierige Bohrbarkeit auf.
  
• Typische Anwendungen: Hochwertige Mikrowellschaltungen, Radarsysteme, Satellitenkommunikation, hochfrequente Messtechnik.

6. Keramisch gefülltes PTFE:

• Tg-Wert: ≥ 250°C
  
• Eigenschaften: Keramische Füllstoffe werden reinem PTFE zugesetzt. Deutlich verbesserte Stabilität, erhöhte Wärmeleitfähigkeit, verbesserte mechanische Festigkeit und Härte sowie einfachere Verarbeitung. Die elektrischen Eigenschaften sind etwas schlechter als bei reinem PTFE, aber immer noch sehr gut.
  
• Typische Anwendungen: Hochfrequenz-RF/Mikrowellen-Leistungsverstärker, Basisstationen-Antennen, Hochtemperatur- und Hochfrequenzequipment mit guter Wärmeabfuhr.

7. Kohlenwasserstoffbasierte Keramikharze:

• Tg-Wert: ≥ 200°C
  
• Eigenschaften: Zusammengesetzt aus Kohlenwasserstoffharz und keramischem Füllstoff. Bietet niedrige Dielektrizitätskonstante, geringe Verluste, gute thermische Stabilität, hervorragende Formstabilität und Verarbeitbarkeit, und die Kosten sind in der Regel niedriger als bei PTFE-basierten Materialien.
  
• Typische Anwendungen: Hochgeschwindigkeits-Digital-Leiterplatten, Hochfrequenz-RF-Leiterplatten, Mikrowellengeräte, Automobilradar.

Warum LHD als strategischen Partner für High-Tg-PCBs wählen?

Die Fertigung von Hoch-Tg-Platinen ist keine einfache Erweiterung der normalen FR-4-Produktion. Von der Materialauswahl, der Kontrolle des Laminierprozesses, der Bohrpräzision bis hin zur abschließenden Oberflächenbehandlung und elektrischen Prüfung – jeder Schritt stellt fast anspruchsvolle Anforderungen an das Temperaturmanagement und die Prozessgenauigkeit. Geringste Abweichungen können zu Delamination, Plattenexplosionen oder unterdurchschnittlicher Leistung führen. LHD ist sich dieser Herausforderungen bewusst. Mit 16 Jahren intensiver Erfahrung im Bereich spezieller Leiterplatten streben wir danach, ein solider und verlässlicher "Partner für Wärmemanagement" hinter Ihren Hochtemperaturanwendungen zu werden.

LHD bietet Ihnen nicht nur Leiterplatten, sondern auch ein umfassendes Spektrum an Schutzlösungen für die Herausforderung hoher Temperaturen:

1. Exakte Auswahlservice:

Unser Team erfahrener Ingenieure wird Ihnen die kosteneffektivsten Materiallösungen mit dem höchsten Grad an Leistungsübereinstimmung empfehlen, basierend auf Ihren spezifischen Anwendungsszenarien, um eine Überdimensionierung oder unzureichende Leistung zu vermeiden.

2. Präzise Prozesskontrolle:

Ausgestattet mit einer vollautomatischen Mehrstufen-Temperaturkontrollpresse und einem Online-Überwachungssystem sowie einem exklusiven Prozessdatenbank-System wird sichergestellt, dass jede Laminatschicht den optimalen Vernetzungszustand erreicht und eine fehlerfreie Produktion gewährleistet ist.

3. Komplettprozess-Thermomanagement:

Von der Lagerung der Rohmaterialien bis hin zur Temperatur-Rückverfolgung entscheidender Prozesse und den Simulationstests unter extremen Umweltbedingungen (TMA, T288 usw.) wird ein vollständiges System zur Gewährleistung der thermischen Zuverlässigkeit aufgebaut.

4. Flexibler Produktionsservice

Unterstützung von 1 Stück Muster bis hin zu Millionenserie-Massenproduktion, Bereitstellung vollständiger technischer Begleitung von der DFM-Optimierung bis hin zur Massenproduktion und nahtlose Integration.

5. Gemeinsame Innovationsunterstützung

Öffnen von Material- und Zuverlässigkeitslaboren, gemeinsame Nutzung von Testressourcen und gemeinsames Meistern extremer Wärmemanagement-Probleme wie bei 800V-Elektrofahrzeugen und Satellitenelektronik.

6. Transparente Wertevermittlung

Durch Großbeschaffung und Ausbeutesteuerung wird auf der Grundlage von Kostentransparenz langfristiger Produktwert geboten, der über Preiserwartungen hinausgeht.

LHD zu wählen, bedeutet, sich für einen PCB-Partner zu entscheiden, der ein tiefes Verständnis und extreme Kontrolle über "Wärme" besitzt. Wir versprechen, durch den Einsatz fortschrittlicher Technologien, strenger Standards und ehrlicher Zusammenarbeit sicherzustellen, dass Ihr Hochtemperatur-Elektroniksystem auch in rauen Umgebungen weiterhin robust bleibt.

Starten Sie jetzt Ihr "bedenkenloses Hochtemperatur-Design"!
Kontaktieren Sie unser professionelles LHD-Team, um technische Beratung und Lösungen für Hochtemperatur-PCBs (High Tg) für Ihre Anwendung zu erhalten.