Czym jest płyta High Tg PCB?
W świecie płytek drukowanych (PCB) temperatura przejścia szklanego (Tg) jest kluczowym parametrem określającym odporność cieplną materiałów podłoża. Oznacza ona krytyczną temperaturę, w której materiał zmienia się z twardego, szklistego stanu fizycznego w miększy, gumowy stan. Prostymi słowami, gdy temperatura otoczenia jest niższa niż Tg, materiał pozostaje sztywny; gdy temperatura przekroczy wartość Tg, materiał zaczyna mięknąć, a jego wytrzymałość mechaniczna i stabilność wymiarowa znacząco maleją.
Wysokotemperaturowe PCB to płyty drukowane wykonane z materiałów o wysokiej temperaturze szklenia (Tg). Materiały te są zaprojektowane tak, aby radzić sobie z eksploatacją w środowiskach o wysokiej temperaturze, które zwykłe materiały PCB (takie jak standardowy FR-4, który zazwyczaj ma Tg wynoszącą około 130–140°C) nie są w stanie wytrzymać. Nawet w warunkach znacznego obciążenia termicznego, płyty PCB o wysokiej Tg mogą zachować integralność strukturalną, dokładność wymiarową oraz stabilną wydajność elektryczną, zapewniając niezawodne funkcjonowanie urządzeń elektronicznych w wysokiej temperaturze.
Główne zalety użytkowe PCB o wysokiej Tg
Powodem, dla którego materiały o wysokiej Tg radzą sobie z wyzwaniami związanymi z wysoką temperaturą, są ich szereg znakomitych właściwości użytkowych:
1. Doskonała stabilność termiczna:
- "Stalowe kości" w wysokiej temperaturze: PCB o wysokiej temperaturze szklenia (Tg) mogą nadal zachowywać dobrą wytrzymałość mechaniczną i twardość w temperaturach znacznie wyższych niż przy zastosowaniu materiałów zwykłych. Oznacza to, że płyta obwodowa nie ulega łatwo wygięciu, odkształceniom czy odwarstwieniu, skutecznie zapobiegając spadaniu elementów i uszkodzeniom złącz lutowniczych.
- Wydajność nie ulega "wypadaniu": Ich właściwości elektryczne mogą pozostać stabilne nawet w warunkach wysokiej temperatury i nie pogorszą się znacząco na skutek wzrostu temperatury.
2. Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE):
- "Synchroniczne oddychanie" zmniejsza naprężenia: Wszystkie materiały rozszerzają się pod wpływem ciepła i kurczą się przy ochładzaniu. Przewody miedziane i elementy zlutowane na PCB również mają swoje własne współczynniki rozszerzalności. Jeśli współczynnik rozszerzalności podłoża PCB będzie zbyt różny od współczynnika miedzi i elementów, to w przypadku gwałtownych zmian temperatury podczas uruchamiania i zamykania urządzenia oraz procesu lutowania, powstaną ogromne naprężenia termiczne.
- Rozwiązanie High Tg: Materiały High Tg zazwyczaj mają niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE), który lepiej dopasowuje się do miedzi i elementów. To działa tak, jakby podłoże PCB i miedziane przewody/elementy "oddychały synchronicznie" podczas zmian temperatury, znacznie zmniejszając ryzyko pękania spoin lutowanych, uszkodzenia folii miedzianej lub uszkodzenia otworów wskutek nierównomiernej ekspansji i kurczenia się termicznego, co znacząco poprawia długoterminową niezawodność produktu.
3. Doskonała stabilność wymiarowa:
- Niski CTE oraz duża sztywność materiału działają razem, powodując, że odkształcenia i skurcz płytek PCB High Tg są znacznie mniejsze niż w przypadku zwykłych płytek PCB w procesie produkcyjnym oraz w warunkach eksploatacji obejmujących wielokrotne podgrzewanie i lutowanie. Jest to kluczowe dla zachowania dokładności w przypadku wielowarstwowych płytek o złożonej strukturze, co bezpośrednio wpływa na wydajność produkcji oraz jakość końcowego produktu.
4. Lepsze właściwości elektryczne przy wysokich częstotliwościach:
- Wiele materiałów o wysokiej temperaturze szklenienia (Tg), takich jak niektóre zmodyfikowane żywice epoksydowe, PPE, PTFE itp., posiada niższe stałe dielektryczne i mniejsze tangensy strat dielektrycznych.
- "Autostrada" dla transmisji sygnałów: Niskie Dk oznacza szybszą propagację sygnału; niskie Df oznacza mniejsze straty energii podczas transmisji sygnału. Połączenie tych dwóch czynników umożliwia PCB o wysokiej Tg lepsze zapewnienie integralności i jakości sygnału w aplikacjach o wysokiej częstotliwości i dużej prędkości, zmniejsza zniekształcenia i tłumienie sygnału i jest szczególnie odpowiednie do nowoczesnych dziedzin takich jak 5G, szybkie sieci oraz częstotliwości radiowe.
5. Zwiększonej odporności na wilgoć i chemikalia:
- Materiały o wysokiej Tg generalnie mają niższą pochłanialność wilgoci, co oznacza, że w wilgotnym środowisku wchłaniają mniej wilgoci.
- Zapobiegaj problemom zanim się pojawią: Pozwala to nie tylko zmniejszyć ryzyko odwarstwienia spowodowanego pochłanianiem wilgoci i rozszerzalnością, ale także ograniczyć możliwość degradacji izolacji elektrycznej i migracji jonów w wilgotnym środowisku, poprawiając trwałość produktu w trudnych warunkach.
Główna wartość zapewniona przez PCB o wysokiej temperaturze szklenia (High Tg PCB)
Powyższe zalety techniczne przekładają się bezpośrednio na istotną wartość w zastosowaniach praktycznych:
1. Skok w niezawodności:
Stabilna praca w wysokiej temperaturze (np. w komorze silnika samochodowego, w zasilaczu o dużej mocy, w kluczowych obszarach sprzętu przemysłowego), znacznie zmniejszając uszkodzenia spowodowane ciepłem, wydłużając żywotność sprzętu i ogólną niezawodność systemu.
2. Poprawa wierności sygnału:
Doskonałe właściwości elektryczne przy wysokich częstotliwościach stanowią podstawę dla szybkich obwodów cyfrowych i zastosowań RF, zapewniając czystą i dokładną transmisję kluczowych sygnałów.
3. Rozszerzenie granic zastosowań:
Przekraczając temperaturowe ograniczenia tradycyjnych płytek PCB, umożliwia niezawodną pracę urządzeń elektronicznych w bardziej wymagających warunkach wysokiej temperatury, otwierając nowe obszary zastosowań.
4. Gwarancja wydajności i precyzji produkcji:
Doskonała stabilność wymiarowa jest podstawą do wytwarzania wysokogęstych połączeń (HDI) i złożonych wielowarstwowych płytek drukowanych, co poprawia efektywność produkcji i spójność produktu.
5. Długotrwała trwałość:
Łącząc odporność na wysoką temperaturę, wilgoć oraz chemikalia, zapewnia długotrwałą ochronę urządzeń elektronicznych i obniża koszty utrzymania.
Przewodnik po klasyfikacji materiałów PCB według temperatury Tg
W zależności od odporności na ciepło, podłoża PCB zazwyczaj dzieli się na różne klasy według wartości Tg, aby zaspokoić zróżnicowane potrzeby:
1. Standardowa Tg: Tg ≥ 135°C
- Reprezentatywne materiały: Standardowa żywica epoksydowa FR-4.
- Zastosowanie: większość urządzeń elektroniki użytkowej, sprzętu biurowego oraz innych standardowych środowisk temperaturowych.
2. Średnie Tg: Tg ≥ 150°C
- Właściwości użytkowe: Lepsza odporność na temperaturę niż standardowy FR-4.
- Zastosowanie: aplikacje o nieco wyższych wymaganiach dotyczących wydajności termicznej, takie jak niektóre urządzenia automatyki przemysłowej, sprzęt komunikacyjny średniej klasy itp.
3. Wysokie Tg:
- Tg 170°C: odpowiedni do ciągłego działania w umiarkowanych i wysokich temperaturach, np. w elektronice samochodowej i kontrolerach przemysłowych.
- Tg 180°C: lepsza stabilność termiczna, powszechnie stosowany w sprzęcie stacji bazowych, serwerach oraz elektronice użytkowej o wysokiej niezawodności.
- Tg 200°C: wysoka odporność na ciepło, zazwyczaj lepsza przewodność termiczna, odpowiedni do elektroniki lotniczej i kosmicznej, wysokoklasowego sprzętu przemysłowego oraz podłoży oświetleniowych LED o dużej mocy.
- Tg 260°C+: zaprojektowany do ekstremalnych temperatur oraz urządzeń elektronicznych o dużej gęstości mocy.
- Tg 300°C+: Najwyższy poziom odporności na temperaturę dostępnych obecnie materiałów komercyjnych, stosowany w najbardziej wymagających zastosowaniach lotniczych, wojskowych lub specjalnych przemysłowych warunkach wysokiej temperatury.
Analiza typowych kluczowych materiałów dla PCB o wysokiej temperaturze szklenia
Realizacja właściwości wysokiej temperatury szklenia zależy od konkretnego systemu żywicznego. Oto kilka głównych typów materiałów i ich charakterystyka:
1. Poliimid (PI):
- Wartość Tg: ≥ 250°C (bardzo wysoka)
- Charakterystyka: Doskonała odporność na temperaturę, doskonała odporność chemiczna, dobre właściwości mechaniczne, niskie uwalnianie lotnych związków w wysokiej temperaturze, opcjonalna elastyczność.
- Typowe zastosowania: lotnictwo i kosmonautyka, elektronika wojskowa, przemysłowe czujniki/kontrolery wysokotemperaturowe, obwody elastyczne.
2. Żywica epoksydowa BT:
- Wartość Tg: 180°C – 220°C
- Charakterystyka: Doskonała odporność na ciepło, stosunkowo niski współczynnik dielektryczny i stratność, niskie wchłanianie wilgoci, dobra opracowalność. Zbalansowane właściwości i koszt w ścieżce ulepszenia FR-4.
- Typowe zastosowania: urządzenia telekomunikacyjne, płyty główne serwerów, płyty obwodów cyfrowych o wysokiej szybkości, wysokiej klasy elektronika konsumencka.
3. Tlenek polifenylenu (PPO):
- Wartość Tg: 175°C – 220°C
- Cechy: Bardzo niskie wchłanianie wilgoci, bardzo niski współczynnik dielektryczny i strat, doskonała stabilność wymiarowa, dobra odporność na hydrolizę.
- Typowe zastosowania: Płyty obwodów o wysokiej częstotliwości (np. anteny 5G, radary), elektronika lotnicza i kosmiczna, podstawy komunikacyjne o wysokiej szybkości.
4. Polimer ciekłokrystaliczny (LCP):
- Wartość Tg: ≥ 280°C (bardzo wysoka)
- Cechy: Prawie brak pochłaniania wody, ultra niski i stabilny współczynnik dielektryczny i strat, doskonała odporność chemiczna, stabilne właściwości mechaniczne w wysokiej temperaturze, może być wytwarzany w formie ultra cienkich płytek elastycznych.
- Typowe zastosowania: Złącza o wysokiej częstotliwości/wysokiej szybkości, 5G/6G, radary samochodowe, sensory w trudnych warunkach środowiskowych.
5. Politetrafluoroetylen (PTFE) - często nazywany „Teflonem”:
- Wartość Tg: ≥ 250°C
- Charakterystyka: Ultra niski współczynnik dielektryczny i strat, doskonała obojętność chemiczna, doskonała praca w wysokiej częstotliwości. Jednak czysty PTFE ma złą opracowalność, wysoki koszt, stosunkowo wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) i anizotropię oraz trudności w wierceniu.
- Typowe zastosowania: Obwody mikrofalowe wysokiej klasy, systemy radarowe, komunikacja satelitarna, sprzęt pomiarowy wysokiej częstotliwości.
6. PTFE wypełniony ceramiką:
- Wartość Tg: ≥ 250°C
- Charakterystyka: Do czystego PTFE dodano wypełniacze ceramiczne. Znacznie poprawiona stabilność, zwiększona przewodność cieplna, poprawa wytrzymałości mechanicznej i twardości oraz łatwiejsza obróbka. Właściwości elektryczne są nieco gorsze niż u czystego PTFE, ale nadal bardzo dobre.
- Typowe zastosowania: Wzmacniacze mocy RF/mikrofalowe, anteny stacji bazowych, urządzenia wysokiej częstotliwości i wysokiej temperatury wymagające dobrej odprowadzalności ciepła.
7. żywica ceramiczna na bazie węglowodorów:
- Wartość Tg: ≥ 200°C
- Cechy: Skład oparty na żywicy węglowodorowej i ceramice. Zapewnia niską stałą dielektryczną, niskie straty, dobrą stabilność termiczną, doskonałą stabilność wymiarową i przetwarzalność, a koszt jest zazwyczaj niższy niż materiały oparte na PTFE.
- Typowe zastosowania: Płyty drukowane do obwodów cyfrowych wysokiej szybkości, płyty drukowane do obwodów RF o wysokiej częstotliwości, urządzenia mikrofalowe, radar samochodowy.
Dlaczego warto wybrać LHD jako strategicznego partnera dla PCB o wysokiej temperaturze szklenia (Tg)?
Produkcja PCB o wysokiej temperaturze szklenienia (Tg) nie jest prostym rozbudowaniem produkcji zwykłych PCB typu FR-4. Od doboru materiałów, przez kontrolę procesu laminowania, dokładność wiercenia po ostateczną obróbkę powierzchni i testy elektryczne – każdy etap stawia niemal wymagające warunki zarządzania temperaturą i precyzji procesu. Niewielkie odchylenia mogą prowadzić do odwarstwienia, uszkodzenia płyty lub niezadowalających parametrów działania. LHD świetnie o tym wie. Dzięki 16-letniemu doświadczeniu w zakresie specjalnych PCB dążymy do bycia solidnym i godnym zaufania „partnerem ds. zarządzania temperaturą” w realizacji Pana/Pani aplikacji wysokotemperaturowych.
LHD oferuje nie tylko płyty obwodowe, ale także pełen zakres rozwiązań ochronnych w warunkach ekstremalnych temperatur:
1. Dokładna usługa doboru:
Nasz zespół inżynierów seniorów polecimy najbardziej opłacalne rozwiązania materiałowe o najwyższym stopniu dopasowania wydajności zgodnie z konkretnymi scenariuszami zastosowania, aby uniknąć nadprojektowania lub niewystarczającej wydajności.
2. Precyzyjna kontrola procesu:
Wyposażyliśmy w w pełni automatyczny prasę do wielostopniowego sterowania temperaturą oraz system monitoringu online, korzystając z ekskluzywnej bazy danych procesowych, zapewniającą, że każdy warstwa laminacji osiąga najlepszy stan sieciowania i umożliwia produkcję bez defektów.
3. Kompleksowe zarządzanie ciepłem w całym procesie:
Od magazynowania surowców, przez śledzenie temperatury kluczowych procesów, po testy symulacji ekstremalnych warunków środowiskowych (TMA, T288 itp.), tworzymy kompleksowy system gwarancji niezawodności termicznej.
4. Elastyczne usługi produkcyjne
Obsługujemy produkcję od 1 sztuki próbki do produkcji seryjnej na poziomie milionów sztuk, oferując pełne wsparcie techniczne od optymalizacji DFM po produkcję seryjną, umożliwiając płynne połączenie.
5. Wsparcie dla innowacji zespołowych
Otwórz laboratoria materiałowe i niezawodnościowe, dziel się zasobami testowymi i wspólnie rozwiązuj ekstremalne problemy związane z zarządzaniem ciepłem, takie jak pojazdy elektryczne 800V i elektronika satelitarna.
6. Przejrzysta realizacja wartości
Poprzez zakupy hurtowe i kontrolę wydajności, zapewniamy długoterminową wartość produktu przekraczającą oczekiwania cenowe, na bazie przejrzystości kosztów.
Wybranie LHD oznacza wybór partnera specjalizującego się w produkcji PCB, który posiada dogłębne zrozumienie i ekstremalną kontrolę nad „ciepłem”. Obiecujemy wykorzystanie nowoczesnych technologii, surowych standardów oraz szczerej współpracy, aby zagwarantować, że Twój system elektroniczny pracujący w wysokiej temperaturze pozostanie równie odporny jak wcześniej, nawet w trudnych warunkach środowiskowych.
Rozpocznij projektowanie „bez zmartwień związanych z wysoką temperaturą” już dziś!
Zapraszamy do kontaktu z profesjonalnym zespołem LHD, aby uzyskać konsultację techniczną i rozwiązania dotyczące PCB z wysokim Tg dla Twojej aplikacji.
EN
