PCB ad Alto TG

Che cos'è un PCB ad alto Tg?

Nel mondo delle schede a circuito stampato (PCB), la temperatura di transizione vetrosa (Tg) è una misura fondamentale della resistenza al calore dei materiali del substrato. Indica il punto critico di temperatura in cui il materiale passa da uno stato fisico rigido e vetrosa a uno più morbido e gommoso. In termini semplici, quando la temperatura ambiente è al di sotto della Tg, il materiale rimane rigido; una volta superata la Tg, il materiale inizia ad ammorbidirsi e la resistenza meccanica e la stabilità dimensionale diminuiscono notevolmente.

Le schede PCB ad alto Tg sono schede a circuito stampato realizzate con materiali aventi alte temperature di transizione vetrosa (Tg). Questi materiali sono progettati per resistere a condizioni operative ad alta temperatura che i materiali ordinari per PCB (come il comune FR-4, che generalmente ha un Tg di circa 130-140°C) non sarebbero in grado di sopportare. Anche sotto carichi termici estremi, le schede PCB ad alto Tg possono mantenere l'integrità strutturale, la precisione dimensionale e una stabile prestazione elettrica, assicurando che i dispositivi elettronici possano operare in modo affidabile anche a temperature elevate.

Principali vantaggi prestazionali delle PCB ad alto Tg

Il motivo per cui i materiali ad alto Tg possono affrontare le sfide legate alle alte temperature è da attribuire alla loro serie di eccellenti caratteristiche prestazionali:

1. Eccellente stabilità termica:

• "Ossa di acciaio" ad alte temperature: le PCB ad alto Tg possono mantenere comunque una buona resistenza meccanica e durezza a temperature molto più alte rispetto ai materiali ordinari. Questo significa che la scheda circuito non è incline a deformazioni, flessioni o delaminazione, prevenendo efficacemente la caduta dei componenti e il danneggiamento dei punti di saldatura.
  
• Prestazioni che non vanno in "crisi": Le prestazioni elettriche possono rimanere stabili anche in ambienti ad alta temperatura, senza degradarsi significativamente a causa dell'aumento della temperatura.

2. Basso coefficiente di espansione termica (CTE):

• "Respirazione sincronizzata" per ridurre lo stress: tutti i materiali si espandono quando riscaldati e si contraggono quando raffreddati. I tracciati in rame e i componenti saldati sulla PCB hanno anch'essi il proprio coefficiente di espansione. Se il coefficiente di espansione del substrato PCB è troppo diverso da quello del rame e dei componenti, si genereranno enormi stress termici quando la temperatura cambia drasticamente durante l'accensione, lo spegnimento e il processo di saldatura del dispositivo.
  
• Soluzione High Tg: I materiali High Tg presentano generalmente un CTE inferiore, che si adatta meglio al rame e ai componenti. Questo consente al substrato del PCB e al rame/componenti di "respirare in sincronia" quando la temperatura varia, riducendo notevolmente il rischio di crepe da fatica nelle saldature, rotture del foglio di rame o danni ai fori passanti causati da espansione e contrazione termica non uniformi, migliorando significativamente l'affidabilità a lungo termine del prodotto.

3. Eccellente stabilità dimensionale:

• Il basso CTE e la sua intrinseca elevata rigidità fanno sì che la deformazione e il restringimento dei PCB High Tg siano molto inferiori rispetto ai PCB ordinari durante i processi produttivi e in ambienti d'uso caratterizzati da pressatura e saldatura a temperature elevate. Questo è fondamentale per mantenere la precisione nei PCB multistrato con molti strati e strutture complesse, influenzando direttamente il rendimento di assemblaggio e le prestazioni del prodotto finale.

4. Migliore prestazione elettrica ad alta frequenza:

• Molti materiali ad alta Tg (come alcune resine epossidiche modificate, PPE, PTFE, ecc.) presentano costanti dielettriche e tangenti di perdita più basse.
  
• "Autostrada" per la trasmissione dei segnali: un basso valore di Dk significa una propagazione del segnale più rapida; un basso valore di Df implica minori perdite di energia durante la trasmissione del segnale. La combinazione di questi due fattori permette alle schede PCB con alta Tg di garantire in modo più efficace l'integrità e la qualità del segnale in applicazioni ad alta frequenza e ad alta velocità, riducendo la distorsione e l'attenuazione del segnale. Questo le rende particolarmente adatte per settori all'avanguardia come il 5G, le reti ad alta velocità e le applicazioni radio frequenza.

5. Maggiore resistenza all'umidità e ai prodotti chimici:

• I materiali ad alta Tg generalmente assorbono meno umidità, il che significa che in ambienti umidi assorbono meno acqua.
  
• Prevenire i problemi prima che accadano: Questo non riduce solo il rischio di delaminazione causata dall'assorbimento e dall'espansione dell'umidità, ma anche la possibilità di degrado dell'isolamento elettrico e migrazione ionica in ambienti umidi, migliorando la durata del prodotto in ambienti difficili.

Valore principale fornito dalle schede PCB ad alto Tg

I vantaggi prestazionali sopra elencati si traducono direttamente in un valore significativo nelle applicazioni pratiche:

1. Affidabilità migliorata:

Funzionamento stabile in condizioni di alta temperatura (ad esempio nel vano motore dell'auto, all'interno di alimentatori ad alta potenza e nell'area centrale delle apparecchiature industriali), riducendo notevolmente i guasti legati al calore, estendendo in modo significativo la vita utile delle apparecchiature e l'affidabilità complessiva del sistema.

2. Miglioramento della fedeltà del segnale:

Un'eccellente prestazione elettrica ad alta frequenza è il fondamento dei circuiti digitali ad alta velocità e delle applicazioni RF, garantendo una trasmissione chiara e precisa dei segnali essenziali.

3. Espansione dei limiti di applicazione:

Superando i limiti termici dei tradizionali PCB, permette ai dispositivi elettronici di operare in modo affidabile in ambienti ad alta temperatura più severi, aprendo nuove possibilità di applicazione.

4. Garanzia di resa e precisione produttiva:

Un'elevata stabilità dimensionale è il prerequisito per la produzione di interconnessioni ad alta densità (HDI) e schede multilivello complesse, migliorando l'efficienza produttiva e la coerenza del prodotto.

5. Durata nel lungo termine:

Combinando resistenza alle alte temperature, all'umidità e ai prodotti chimici, offre una protezione duratura per i dispositivi elettronici, riducendo i costi di manutenzione.

Guida alla classificazione per grado di temperatura Tg dei materiali per PCB

In base alla resistenza al calore, i substrati per PCB sono generalmente suddivisi in diverse classi in base ai valori Tg per soddisfare esigenze diversificate:

1. Tg ordinario: Tg ≥ 135°C

• Materiali rappresentativi: Resina epossidica FR-4 standard.
  
• Scenari applicabili: La maggior parte dell'elettronica di consumo, attrezzature per ufficio e altri ambienti con temperatura convenzionale.

2. Tg medio: Tg ≥ 150°C

• Caratteristiche di prestazione: Maggiore resistenza al calore rispetto all'FR-4 standard.
  
• Scenari applicabili: Applicazioni con requisiti leggermente superiori per le prestazioni termiche, come alcuni dispositivi di controllo industriale, attrezzature di comunicazione di fascia media, ecc.

3. Tg alto:

• Tg 170°C: Adatto per ambienti a temperatura media e alta continua, come elettronica automobilistica e controllori industriali.
  
• Tg 180°C: Maggiore stabilità termica, comunemente utilizzato in attrezzature per stazioni base di comunicazione, server e dispositivi elettronici di consumo ad alta affidabilità.
  
• Tg 200°C: Elevata resistenza al calore, solitamente con migliore conducibilità termica, adatto a elettronica aerospaziale, attrezzature industriali di alta gamma e substrati per illuminazione LED ad alta potenza.
  
• Tg 260°C+: Progettato per ambienti a temperatura estremamente alta e dispositivi elettronici ad alta densità di potenza.
  
• Tg 300°C+: Il livello massimo di resistenza al calore tra i materiali commerciali attualmente disponibili, utilizzato nelle applicazioni aerospaziali, militari o industriali più impegnative in condizioni di alta temperatura.

Analisi dei materiali chiave più comuni per PCB ad alto Tg

Il raggiungimento delle prestazioni ad alto Tg dipende da un sistema di resina specifico. Di seguito sono presentati diversi tipi di materiali principali e le loro caratteristiche:

1. Poliimide (PI):

• Valore di Tg: ≥ 250°C (molto alto)
  
• Caratteristiche: Eccellente resistenza termica, eccellente resistenza alla corrosione chimica, buone proprietà meccaniche, bassa emissione di sostanze volatili ad alte temperature, flessibilità opzionale.
  
• Applicazioni tipiche: aerospaziale, elettronica militare, sensori/controllori industriali ad alta temperatura, circuiti flessibili.

2. Resina epossidica BT:

• Valore di Tg: 180°C – 220°C
  
• Caratteristiche: Eccellente resistenza termica, bassa costante dielettrica e perdite ridotte, bassa assorbenza di umidità, buona lavorabilità. Equilibrio tra prestazioni e costo lungo il percorso di aggiornamento di FR-4.
  
• Applicazioni tipiche: apparecchiature di comunicazione, schede madri per server, schede a circuito digitale ad alta velocità, elettronica di consumo di alta gamma.

3. Ossido di polifenilene (PPO):

• Valore Tg: 175°C – 220°C
  
• Caratteristiche: Assorbimento di umidità molto basso, costante dielettrica e perdite molto ridotte, eccellente stabilità dimensionale, buona resistenza all'idrolisi.
  
• Applicazioni tipiche: Schede a circuito RF ad alta frequenza (come antenne 5G, radar), elettronica aerospaziale, backplane per comunicazioni ad alta velocità.

4. Polimero a cristalli liquidi (LCP):

• Valore Tg: ≥ 280°C (molto alto)
  
• Caratteristiche: Praticamente nessun assorbimento d'acqua, costante dielettrica e perdite ultra-basse e stabili, eccellente resistenza chimica, proprietà meccaniche stabili ad alte temperature, può essere utilizzato per realizzare schede flessibili ultra-sottili.
  
• Applicazioni tipiche: Connettori ad alta frequenza/velocità, 5G/6G, radar automobilistici, sensori per ambienti estremi.

5. Politetrafluoroetilene (PTFE) - spesso chiamato "Teflon":

• Valore Tg: ≥ 250°C
  
• Caratteristiche: Costante dielettrica e perdita ultra-basse, eccellente inerzia chimica, eccellente prestazione ad alta frequenza. Tuttavia, il PTFE puro ha una cattiva lavorabilità, costo elevato, CTE relativamente alto, anisotropia e difficoltà di foratura.
  
• Applicazioni tipiche: Circuiti microonde di alta fascia, sistemi radar, comunicazioni satellitari, apparecchiature di test ad alta frequenza.

6. PTFE con riempitivo ceramico:

• Valore Tg: ≥ 250°C
  
• Caratteristiche: Ai PTFE puri vengono aggiunti riempitivi ceramici. Stabilità notevolmente migliorata, conducibilità termica aumentata, resistenza meccanica e durezza migliorate, lavorazione semplificata. Le prestazioni elettriche sono leggermente inferiori rispetto al PTFE puro, ma comunque molto buone.
  
• Applicazioni tipiche: Amplificatori di potenza RF/microonde, antenne per stazioni base, apparecchiature ad alta temperatura e alta frequenza che richiedono un buon smaltimento del calore.

7. Resina ceramica a base di idrocarburi:

• Valore Tg: ≥ 200°C
  
• Caratteristiche: Composto da resina di idrocarburo e filler ceramico. Offre una bassa costante dielettrica, basso smorzamento, buona stabilità termica, eccellente stabilità dimensionale e lavorabilità, e il costo è generalmente inferiore rispetto ai materiali a base di PTFE.
  
• Applicazioni tipiche: Schede per circuiti digitali ad alta velocità, schede per circuiti RF ad alta frequenza, apparecchiature a microonde, radar automobilistico.

Perché scegliere LHD come tuo partner strategico per PCB ad alto Tg?

La produzione di PCB ad alto Tg non è una semplice estensione della normale produzione di FR-4. Dalla selezione dei materiali, al controllo del processo di laminazione, fino alla precisione delle forature e al trattamento superficiale finale e ai test elettrici, ogni fase richiede quasi esigenti requisiti per la gestione della temperatura e la precisione del processo. Deviazioni minime possono causare delaminazione, esplosione della scheda o prestazioni insufficienti. LHD è ben consapevole di questo. Con 16 anni di solida esperienza nel campo dei PCB speciali, si dedica a diventare un solido e affidabile "partner nella gestione termica" per le vostre applicazioni ad alta temperatura.

LHD non vi fornisce soltanto schede di circuito, ma anche un'intera gamma di soluzioni protettive per affrontare le sfide delle alte temperature:

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Il nostro team di ingegneri senior ti consiglierà le soluzioni di materiali più economiche ed efficienti, con il più alto grado di adattamento alle tue specifiche applicazioni, per evitare sovradimensionamento o prestazioni insufficienti.

2. Controllo preciso del processo:

Dotato di una pressa completamente automatica a controllo multistadio della temperatura e di un sistema di monitoraggio online, basandosi su un esclusivo database di processi, garantisce che ogni strato di laminazione raggiunga il migliore stato di reticolazione e permette una produzione priva di difetti.

3. Gestione termica a processo completo:

Dalla conservazione delle materie prime alla tracciabilità termica dei processi chiave, fino ai test di simulazione in ambienti estremi (TMA, T288, ecc.), viene realizzato un sistema completo per garantire l'affidabilità termica.

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Supportiamo la produzione da 1 campione fino a livelli di massa di milioni di unità, fornendo un completo supporto tecnico dall'ottimizzazione DFM alla produzione di massa, per raggiungere una connessione senza interruzioni.

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Aprire laboratori per materiali e affidabilità, condividere risorse di test e collaborare per superare insieme problematiche estreme di gestione termica, come quelle relative a veicoli elettrici a 800V e all'elettronica satellitare.

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