Plošný spoj s vysokou TG

Čo je doska plošných spojov s vysokou teplotou skleného prechodu?

V oblasti dosiek plošných spojov (PCB) je teplota skleného prechodu (Tg) kľúčovým ukazovateľom odolnosti substrátových materiálov voči teplu. Označuje kritickú teplotnú hranicu, pri ktorej materiál prechádza z tvrdej, sklenej fázy do mäkčej, gumenatej fázy. Jednoducho povedané, keď je okolitá teplota nižšia ako Tg, materiál zostáva tuhý; akonáhle teplota prekročí Tg, materiál začína mäknúť a jeho mechanická pevnosť a rozmerná stabilita výrazne klesá.

Vysokoteplotné dosky sú plošné spoje vyrobené z materiálov s vysokou teplotou skleného prechodu (Tg). Tieto materiály sú navrhnuté tak, aby odolávali vysokoteplotnému prostrediu, ktoré bežné materiály pre plošné spoje (ako napríklad štandardný FR-4, ktorý zvyčajne má Tg okolo 130-140°C) nezvládajú. Aj za extrémneho tepelného zaťaženia môžu vysokoteplotné dosky udržať svoju štruktúrnu integritu, rozmery a stabilný elektrický výkon, čo zabezpečuje spoľahlivý prevádzku elektronických zariadení pri vysokých teplotách.

Kľúčové výkonné výhody vysokoteplotných dosiek

Dôvod, prečo vysokoteplotné materiály zvládajú vysokoteplotné výzvy, spočíva v ich sérii vynikajúcich vlastností:

1. Vynikajúca tepelná stabilita:

• "Oceľové kosti" pri vysokých teplotách: Vysokoteplotné dosky plošných spojov (PCB) môžu udržať dobrú mechanickú pevnosť a tvrdosť aj pri teplotách oveľa vyšších ako bežné materiály. To znamená, že doska plošných spojov sa nekriví, nedeformuje sa a neoddeľuje sa, čím sa účinne zabráni odpadnutiu súčiastok a poruchám pájok.
  
• Výkon sa nezhoršuje: Elektrické vlastnosti môžu zostať stabilné aj v prostredí s vysokou teplotou a nezhoršia sa výrazne v dôsledku zvýšenia teploty.

2. Nízky koeficient teplotného rozťažnosti (CTE):

• "Synchronizované dýchanie" znižuje napätie: Všetky materiály sa pri zahriatí rozťahujú a pri ochladení sa zužujú. Medené vodiče a spájkované súčiastky na doske plošných spojov majú taktiež svoje vlastné koeficienty rozťažnosti. Ak je koeficient teplotného rozťažnosti substrátu dosky plošných spojov príliš odlišný od koeficientu medi a súčiastok, vzniká obrovské tepelné napätie pri prudkých teplotných zmenách počas štartu, vypnutia a procesu spájkovania.
  
• Riešenie s vysokou teplotou sklenenia (Tg): Materiály s vysokou teplotou sklenenia zvyčajne majú nižší koeficient teplotného rozťažnosti (CTE), ktorý lepšie zodpovedá rozťažnosti medi a komponentov. Je to ako keby substrát dosky plošných spojov (PCB) a medené vodiče/komponenty „dýchali spoločne“ počas zmeny teploty, čím sa výrazne zníži riziko únavového praskania spájok, prerušenia medeného plechu alebo poškodenia vodivých otvorov spôsobeného nezhodou tepelného rozťažnosti. Tým sa výrazne zvýši dlhodobá spoľahlivosť výrobku.

3. Vynikajúca rozmerná stabilita:

• Nízky CTE a vlastná vysoká tuhosť spolu spôsobia, že krivenie a smršťovanie dosiek PCB s vysokou teplotou sklenenia je oveľa nižšie než u bežných dosiek PCB počas výrobného procesu a pri používaní v prostredí s viacnásobným vysokotlakovým a zváracím ohrevom. To je kľúčové pre zachovanie presnosti u viacvrstvových dosiek s veľkým počtom vrstiev a zložitou štruktúrou, čo priamo ovplyvňuje výťažok pri montáži a výkon finálneho výrobku.

4. Lepšie elektrické vlastnosti pri vysokých frekvenciách:

• Mnohé materiály s vysokou teplotou sklenenia (napr. niektoré modifikované epoxidové živice, PPE, PTFE, atď.) majú nižšie dielektrické konštanty a tangenty strát.
  
• "Diaľnica" pre prenos signálu: Nízky Dk znamená rýchlejšie šírenie signálu; nízky Df znamená nižšie straty energie počas prenosu signálu. Kombinácia oboch týchto vlastností umožňuje dosiek s vysokou teplotou sklenenia lepšie zabezpečiť integritu a kvalitu signálu pri vysokofrekvenčných a vysokorýchlostných aplikáciách, znížiť skreslenie a útlm signálu a je obzvlášť vhodná pre vyspelé oblasti, ako sú 5G, vysokorýchlostné siete a rádiové frekvencie.

5. Zvýšená odolnosť voči vlhkosti a chemikáliám:

• Materiály s vysokou teplotou sklenenia zvyčajne majú nižšiu schopnosť pohlcovať vlhkosť, čo znamená, že vo vlhkých prostrediach pohltia menej vlhkosti.
  
• Zabráňte problémom, skôr ako k nim dôjde: Tým sa nielen zníži riziko delaminácie spôsobenej absorpciou a rozšírením vlhkosti, ale tiež sa zníži pravdepodobnosť degradácie elektrického izolovania a iónovej migrácie vo vlhkém prostredí a zlepší sa odolnosť výrobku v náročných prostrediach.

Kľúčová hodnota vysokotepelných PCB

Vyššie uvedené výkonné výhody sa priamo premieňajú na významné hodnoty v praktických aplikáciách:

1. Skok v spoľahlivosti:

Stabilný prevádzka v podmienkach vysokých teplôt (napr. v motorovom priestore automobilu, vo vnútri vysokovýkonového zdroja a v jadrových oblastiach priemyselného zariadenia), čo výrazne zníži tepelné poruchy, predĺži životnosť zariadenia a celkovú spoľahlivosť systému.

2. Zlepšenie vernosti signálu:

Vynikajúce vysokofrekvenčné elektrické vlastnosti sú kľúčové pre vysokorýchlostné digitálne obvody a RF aplikácie, čo zabezpečuje jasnú a presnú prenosnosť kľúčových signálov.

3. Rozšírenie aplikačných hraníc:

Prekonávanie teplotného limitu tradičných plošných spojov umožňuje elektronickým zariadeniam spoľahlivo fungovať v náročnejších vysokoteplotných prostrediach a otvára nové oblasti použitia.

4. Záruka výnosov a presnosti výroby:

Vynikajúca rozmerná stabilita je predpokladom pre výrobu vysokohustotných prepojení (HDI) a zložitých viacvrstvových dosiek, čím sa zvyšuje efektivita výroby a konzistencia produktov.

5. Dlhodobá trvanlivosť:

V kombinácii s odolnosťou voči vysokým teplotám, vlhkosti a chemikáliám poskytuje dlhodobú ochranu elektronických zariadení a zníženie nákladov na údržbu.

Príručka klasifikácie materiálov plošných spojov podľa teploty sklenenia (Tg)

Podľa odolnosti voči teplu sú substráty plošných spojov zvyčajne rozdelené do rôznych tried podľa hodnôt Tg, aby boli splnené rôznorodé požiadavky:

1. Bežná Tg: Tg ≥ 135 °C

• Zástupné materiály: Štandardná epoxidová pryskyrica FR-4.
  
• Použitie: Väčšina spotrebných elektronických zariadení, kancelárske vybavenie a iné konvenčné teplotné prostredia.

2. Stredná Tg: Tg ≥ 150°C

• Prevádzkové vlastnosti: Lepšia odolnosť proti teplu ako štandardný FR-4.
  
• Použitie: Aplikácie s mierne vyššími nárokmi na tepelný výkon, ako napríklad niektoré priemyselné riadiace zariadenia, stredná trieda komunikačných zariadení atď.

3. Vysoká Tg:

• Tg 170°C: vhodná pre nepretržité stredné a vysoké teplotné prostredia, ako sú automobilová elektronika a priemyselné regulátory.
  
• Tg 180°C: lepšia tepelná stabilita, bežne sa používa v základňových stanicách, serveroch a vysoko spoľahlivých spotrebných elektronických zariadeniach.
  
• Tg 200°C: vysoká odolnosť proti teplu, zvyčajne s lepšou tepelnou vodivosťou, vhodná pre leteckú a vesmírnu elektroniku, vysokorozvíjajúce priemyselné zariadenia a vysokovýkonné LED osvetlenie.
  
• Tg 260°C+: navrhnutá pre extrémne vysokoteplotné prostredia a elektronické zariadenia s vysokou hustotou výkonu.
  
• Tg 300°C+: Najvyššia úroveň odolnosti proti vysokým teplotám dostupných komerčných materiálov, používaná v najnáročnejších scenároch vysokých teplôt v leteckom priemysle, armádnom alebo špeciálnom priemysle.

Analýza bežných kľúčových materiálov pre vysoké Tg PCB

Realizácia vysokého výkonu Tg závisí od špecifického systému pryskyričov. Tu je niekoľko hlavných typov materiálov a ich vlastností:

1. Polyimid (PI):

• Hodnota Tg: ≥ 250°C (veľmi vysoká)
  
• Vlastnosti: Vynikajúca odolnosť voči vysokým teplotám, vynikajúca chemická odolnosť proti korózii, dobré mechanické vlastnosti, nízke uvoľňovanie летúcich látok pri vysokých teplotách, možnosť flexibility.
  
• Typické aplikácie: letecký priemysel, vojenská elektronika, priemyselné senzory/regulátory vysokých teplôt, flexibilné obvody.

2. BT epoxidová pryskyrica:

• Hodnota Tg: 180°C – 220°C
  
• Vlastnosti: Vynikajúca tepelná odolnosť, relatívne nízka dielektrická konštanta a straty, nízka schopnosť pohlcovania vlhkosti, dobrá spracovateľnosť. Vyvážený výkon a náklady na ceste FR-4.
  
• Typické aplikácie: komunikačné zariadenie, serverové základné dosky, vysokofrekvenčné digitálne dosky plošných spojov, vysokokvalitné spotrebné elektronické výrobky.

3. Polyfenylénoxid (PPO):

• Hodnota Tg: 175 °C – 220 °C
  
• Vlastnosti: Veľmi nízka vodná absorpcia, veľmi nízka dielektrická konštanta a straty, vynikajúca rozmerná stabilita, dobrá odolnosť proti hydrolýze.
  
• Typické aplikácie: Vysokofrekvenčné RF dosky plošných spojov (napr. 5G antény, radary), elektronika pre vesmírny priemysel, vysokorýchlostné komunikačné spätné dosky.

4. Kryštalický polymér (LCP):

• Hodnota Tg: ≥ 280 °C (veľmi vysoká)
  
• Vlastnosti: Takmer žiadna vodná absorpcia, ultra nízka a stabilná dielektrická konštanta a straty, vynikajúca chemická odolnosť, stabilné mechanické vlastnosti pri vysokých teplotách, môže byť spracovaný na ultra tenké flexibilné dosky.
  
• Typické aplikácie: Vysokofrekvenčné/vysokorýchlostné konektory, 5G/6G, automobilové radary, senzory v náročných prostrediach.

5. Politetrafluóretylén (PTFE) – často nazývaný „Teflón“:

• Hodnota Tg: ≥ 250°C
  
• Vlastnosti: Ultra-nízka dielektrická konštanta a straty, vynikajúca chemická inertnosť, vynikajúce vysokofrekvenčné vlastnosti. Avšak čistý PTFE má zlú spracovateľnosť, vysokú cenu, relatívne vysoký koeficient teplotného rozťažnosti (CTE) a anizotropiu, a je ťažko vŕtaný.
  
• Typické aplikácie: Vysokofrekvenčné mikrovlnné obvody, radarové systémy, satelitná komunikácia, vysokofrekvenčné testovacie zariadenia.

6. Keramicky plnený PTFE:

• Hodnota Tg: ≥ 250°C
  
• Vlastnosti: Do čistého PTFE sú pridané keramické plniče. Výrazne zlepšená stabilita, zvýšená tepelná vodivosť, zlepšená mechanická pevnosť a tvrdosť, jednoduchšie spracovanie. Elektrické vlastnosti sú mierne horšie ako u čistého PTFE, no stále veľmi dobré.
  
• Typické aplikácie: Vysokofrekvenčné RF/mikrovlnné zosilňovače výkonu, antény záklňových staníc, vysokoteplotné a vysokofrekvenčné zariadenia vyžadujúce dobré odvádzanie tepla.

7. Uhľovodíková keramická pryskyrica:

• Hodnota Tg: ≥ 200°C
  
• Vlastnosti: Zložený z uhľovodíkovej pryskyričky a keramického plniča. Poskytuje nízku dielektrickú konštantu, nízke straty, dobrú tepelnú stabilitu, vynikajúcu rozmernú stabilitu a spracovateľnosť, a náklady sú zvyčajne nižšie ako u materiálov na báze PTFE.
  
• Typické aplikácie: Vysokorýchlostné digitálne dosky plošných spojov, vysokofrekvenčné RF dosky plošných spojov, mikrovlnné zariadenia, automobilový radar.

Prečo si vybrať spoločnosť LHD ako strategického partnera pre vysoké Tg dosky plošných spojov?

Výroba vysokoteplotných dosiek plošných spojov (PCB) nie je jednoduchým rozšírením bežnej výroby FR-4. Každý krok, od výberu materiálu, kontroly laminácie, presnosti vŕtania až po konečnú povrchovú úpravu a elektrické testovanie, vyžaduje takmer náročné požiadavky na riadenie teploty a presnosť procesu. Malé odchýlky môžu viesť k odvretovaniu, poškodeniu dosky alebo poddimenzovanému výkonu. Spoločnosť LHD o tom dobre vie. So 16-ročnými odbornými skúsenosťami v oblasti špeciálnych dosiek plošných spojov sa zaväzujeme k tomu, byť vaším spoľahlivým partnerom pri riadaní teplotných podmienok v aplikáciách pri vysokých teplotách.

Spoločnosť LHD vám ponúka nielen dosky plošných spojov, ale aj komplexné riešenia ochrany pri výzvach spojených s vysokou teplotou:

1. Presná služba výberu:

Náš tím seniorov-inžinierov vám odporučí najefektívnejšie materiálové riešenia s najvyššou mierou výkonu v súlade s vašimi konkrétnymi aplikačnými scenármi, aby sa predišlo nadmernému dizajnu alebo nedostatočnému výkonu.

2. Presná kontrola procesu:

Vybavené plne automatickým viacstupňovým lisom s kontrolou teploty a online monitorovacím systémom, vďaka výhradnej databáze procesov zabezpečuje, aby každá vrstva laminácie dosiahla optimálny stav preklenutia a dosiahla výrobu bez chýb.

3. Komplexné tepelné riadenie:

Od skladovania surovín až po teplotnú stopovateľnosť kľúčových procesov, po simulácie v extrémnom prostredí (TMA, T288, atď.), je postavený komplexný systém záruk tepelnej spoľahlivosti.

4. Flexibilné výrobné služby

Podporuje výrobu od 1 kusovej vzorky až po miliónovú sériovú výrobu, poskytuje plnú technickú podporu od optimalizácie DFM po sériovú výrobu a zabezpečuje bezproblémové prepojenie.

5. Podpora spoločného inovovania

Otvorené laboratóriá materiálov a spoľahlivosti, zdieľanie testovacích zdrojov a spoločné prekonávanie extrémnych problémov s tepelným manažmentom, ako sú 800V elektromobily a satelitná elektronika.

6. Transparentné dodávanie hodnoty

Prostredníctvom veľkosériového nákupu a kontroly výťažku poskytujeme dlhodobú hodnotu produktu, ktorá presahuje očakávania v cenách, na základe transparentnosti nákladov.

Výber LHD znamená vybrať si partnera pre výrobu dosiek plošných spojov (PCB), ktorý má hlboké poznanie a extrémnu kontrolu nad „teplom“. Sľubujeme, že využijeme najmodernejšiu technológiu, prísne štandardy a úprimnú spoluprácu, aby váš elektronický systém vystavený vysokým teplotám ostal aj naďalej taký odolný ako doteraz, aj v náročných podmienkach.

Začnite teraz s návrhom „bez starostí o vysokú teplotu“!
Vitajte, kontaktujte profesionálny tím LHD a získajte technické poradenstvo a riešenia pre dosky plošných spojov s vysokou teplotou sklenenia (high Tg) pre vašu aplikáciu.