Visokotemperaturna tiskana vezja

Kaj je PCB z visokim Tg?

V svetu tiskanih vezij (PCB) je temperatura steklene prehoda (Tg) ključen merilnik odpornosti proti toploti podlag. Označuje kritično temperaturo, pri kateri material prehaja iz trdega, steklastega stanja v mehkejše, gumenasto stanje. Preprosto povedano, ko je okoljska temperatura pod Tg, material ostaja tog; ko temperatura preseže Tg, material začne mehčati in mehanska trdnost ter dimenzionalna stabilnost se znatno zmanjšata.

Plošče z visokim Tg so tiskane vezja, izdelana iz materialov z visokimi temperaturami steklene prehode (Tg). Ti materiali so zasnovani za delovanje v okoljih z visokimi temperaturami, ki jih običajni materiali za plošče (kot je standardni FR-4, ki ima običajno Tg okoli 130–140 °C) ne morejo prenesti. Tudi pod ekstremnimi toplotnimi obremenitvami plošče z visokim Tg ohranjajo strukturno celovitost, dimenzijsko natančnost in stabilno električno zmogljivost, kar zagotavlja zanesljivo delovanje elektronskih naprav pri visokih temperaturah.

Osnovne zmogljivosti plošč z visokim Tg

Razlog, zakaj materiali z visokim Tg zmorejo visokotemperaturne izzive, je njihov niz odličnih lastnosti:

1. Izjemna toplotna stabilnost:

• "Jeklene kosti" pri visokih temperaturah: visokotemperaturne PCB-je še vedno ohranjajo dobro mehansko trdnost in trdoto tudi pri temperaturah, ki so znatno višje od temperatur običajnih materialov. To pomeni, da se plošča vezja ne upogne, ne deformira in ne lušči, kar učinkovito preprečuje odpadajoče komponente in odpovedi v zvarih.
  
• Delovanje se ne »izklopi«: Njegova električna učinkovitost lahko ostane stabilna tudi v visokotemperaturnem okolju in se zaradi dviga temperature ne bo znatno poslabšala.

2. Nizki koeficient raztezka zaradi toplote (CTE):

• »Sinhrono dihanje« zmanjšuje napetost: Vsi materiali se pri segrevanju razširjajo in pri hlajenju krčijo. Bakrene žice in zvarjene komponente na PCB-ju imajo svoj lasten koeficient razširitve. Če je koeficient razširitve substrata PCB-ja preveč različen od bakra in komponent, se ob močnem spreminjanju temperature med zagonom, izklopom in postopki varjenja naprave, generirajo ogromne toplotne napetosti.
  
• Rešitev z visokim Tg: Materiali z visokim Tg imajo praviloma nižji CTE, ki se bolj ujema s prevodniki in komponentami. To je enako sinhroniziranemu »dihanju« substrata plošče in bakrenih žic/komponent ob temperaturnih spremembah, kar močno zmanjša možnost utrujenskega razpokanja spajk, pretrganja folije ali poškodb vodov, ki izhajajo iz neenakomerne termalne razširjanja in krčenja ter izboljša dolgoročno zanesljivost izdelka.

3. Izjemna dimenzijska stabilnost:

• Nizki CTE in visoka togost materiala delujejo skupaj tako, da upogibanje in krčenje PCB-jev z visokim Tg med postopki izdelave in v uporabnem okolju z večkratnim visokotemperaturnim stiskanjem in varjenjem ostanejo veliko nižja v primerjavi s standardnimi PCB-ji. To je zelo pomembno za ohranjanje natančnosti pri večslojnih ploščah s kompleksno strukturo, kar neposredno vpliva na izkoristek sestave in delovanje končnega izdelka.

4. Boljše visokofrekvenčne električne lastnosti:

• Mnogi visokotemperaturni materiali (kot so nekatere modificirane epoksne smole, PPE, PTFE itd.) imajo nižje dielektrične konstante in tangente izgub.
  
• "Avtocesta" za prenos signalov: Nizka vrednost Dk pomeni hitrejši prenos signalov; nizka vrednost Df pomeni manjšo izgubo energije med prenosom signalov. Kombinacija obeh lastnosti omogoča visokotemperaturnim tiskanim vezijem boljše ohranjanje integritete in kakovosti signalov pri visokih frekvencah in visokih hitrostih, zmanjšuje izkrivljanje in oslabljanje signalov ter je zlasti primerna za napredne področja, kot so 5G, visokohitrostna omrežja in radijske frekvence.

5. Izboljšana odpornost proti vlagi in kemičnim snovem:

• Materiali z visokim Tg imajo praviloma nižjo vlažnostno apsorpcijo, kar pomeni, da v vlažnem okolju absorbirajo manj vode.
  
• Preprečite težave pred nastopom: To ne samo zmanjša tveganje za odplastevanje zaradi vpijanja vlažnosti in razširjanja, temveč tudi zmanjša možnost poslabšanja električne izolacije in ionske migracije v vlažnem okolju ter izboljša vzdržljivost izdelka v težkih okoljih.

Osnovna vrednost visokotemperaturnih PCB-jev

Zgoraj navedene prednosti pri delovanju se neposredno pretvorijo v pomembno vrednost v praktičnih uporabah:

1. Skok v zanesljivosti:

Stabilno delovanje v visokotemperaturnih pogojih (npr. v motorju vozila, znotraj visokonapetostne napajalne naprave in jedrskem območju industrijske opreme), znatno zmanjšuje toplotne okvare, močno podaljšuje življenjsko dobo opreme in skupno zanesljivost sistema.

2. Izboljšava verodostojnosti signala:

Izvrstne visokofrekvenčne električne lastnosti so temelj visokohitrostnih digitalnih vezij in RF aplikacij, kar zagotavlja jasno in natančno prenos signalov.

3. Razširjanje meja uporabe:

Preboj skozi temperaturno omejitev tradicionalnih tiskanih vezij, kar omogoča elektronskim napravam zanesljivo delovanje v še zahtevnejših visokotemperaturnih okoljih in odpira nove področja uporabe.

4. Zagotovilo donosnosti in natančnosti proizvodnje:

Izjemna dimenzijska stabilnost je predpogoj za izdelavo visoko gostih povezav (HDI) in kompleksnih večslojnih plošč, kar izboljšuje učinkovitost proizvodnje in konsistentnost izdelkov.

5. Dolgotrajna vzdržljivost:

V kombinaciji z odpornostjo proti visoki temperaturi, vlagi in kemičnim snovem zagotavlja daljše trajanje zaščite elektronskih naprav ter zmanjša stroške vzdrževanja.

Vodič za klasifikacijo temperaturnih razredov Tg materialov za tiskana vezja

Glede na odpornost proti toploti so osnovni materiali tiskanih vezij običajno razdeljeni v različne razrede glede na vrednosti Tg, da bi bili primerni za različne potrebe:

1. Običajna Tg: Tg ≥ 135 °C

• Značilni materiali: Standardna FR-4 epoksi smola.
  
• Uporabni primeri: Večina potrošniških elektronskih naprav, pisarniške opreme in drugih običajnih temperaturnih okolij.

2. Srednja Tg: Tg ≥ 150°C

• Lastnosti delovanja: Boljša odpornost proti toplini v primerjavi s standardnim FR-4.
  
• Uporabni primeri: Uporabe z rahlo višjimi zahtevami glede toplotnega delovanja, kot so nekatera industrijska krmilna oprema, srednje razredne komunikacijske naprave itd.

3. Visoka Tg:

• Tg 170°C: Primerno za kontinuirano srednje in visoke temperature, kot so avtomobilske elektronike in industrijski krmilniki.
  
• Tg 180°C: Boljša termalna stabilnost, pogosto uporabljena v opremi za komunikacijske bazne postaje, strežniki in visokozanesljive potrošniške elektronike.
  
• Tg 200°C: Visoka odpornost proti toplini, običajno z boljšo toplotno prevodnostjo, primerno za elektroniko v letalski in vesoljski industriji, visokokakovostno industrijsko opremo in visokomocne LED osvetlitvene podlage.
  
• Tg 260°C+: Zasnovano za ekstremno visokotemperaturna okolja in visokozmogljive elektronske naprave.
  
• Tg 300°C+: Najvišja raven odpornosti proti toploti komercialno dostopnih materialov trenutno na voljo, uporabljenih v najzahtevnejših visoko temperaturnih aplikacijah, kot so letalska industrija, vojaška tehnika ali posebne industrijske uporabe.

Analiza poglavnih materialov za visoko Tg PCB-je

Uresničevanje visokih Tg lastnosti je odvisno od posebnega smolnega sistema. Spodaj so prikazani večinoma uporabljeni tipi materialov in njihove značilnosti:

1. Poliimid (PI):

• Tg vrednost: ≥ 250°C (zelo visoka)
  
• Značilnosti: Izjemna odpornost proti temperaturi, izjemna odpornost proti kemijski koroziji, dobre mehanske lastnosti, nizko sproščanje hlapnih snovi pri visokih temperaturah, možna fleksibila.
  
• Tipične uporabe: letalska industrija, vojaška elektronika, visoko temperaturni industrijski senzorji/kontrolorji, fleksibilne vezja.

2. BT epoksi smola:

• Tg vrednost: 180°C – 220°C
  
• Značilnosti: Izjemna odpornost proti toploti, relativno nizka dielektrična konstanta in izgube, nizka vlažnost, dobra obdelava. Uravnotežene lastnosti in stroški pri nadgradnji poti FR-4.
  
• Tipične uporabe: komunikacijska oprema, matične plošče strežnikov, visokofrekvenčne digitalne tiskane plošče, visoko kvalitetna potrošniška elektronika.

3. Polifenilenski eter (PPO):

• Tg vrednost: 175°C – 220°C
  
• Značilnosti: Zelo nizko vpijanje vode, zelo nizka dielektrična konstanta in izgube, izjemna dimenzijska stabilnost, dobra odpornost proti hidrolizi.
  
• Tipične uporabe: Visokofrekvenčne RF plošče (npr. 5G antene, radarji), elektronika za vesolje in letalstvo, visokohitrostne komunikacijske hrbtne plošče.

4. Polimer tekočih kristalov (LCP):

• Tg vrednost: ≥ 280°C (zelo visoka)
  
• Značilnosti: Skorajda nično vpijanje vode, ultra-nizka in stabilna dielektrična konstanta ter izgube, izjemna kemijska odpornost, stabilne mehanske lastnosti pri visokih temperaturah, izdelava zelo tankih fleksibilnih plošč je mogoča.
  
• Tipične uporabe: Visokofrekvenčni/visokohitrostni priključki, 5G/6G, avtomobilski radarji, senzorji za težje okoljske razmere.

5. Politetrafluoretilen (PTFE) – pogosto imenovan »Teflon«:

• Tg vrednost: ≥ 250°C
  
• Značilnosti: Ultra nizka dielektrična konstanta in izgube, odlična kemijska inertnost, odlične lastnosti pri visokih frekvencah. Vendar ima čist PTFE slabo obdelovalnost, visoko ceno, relativno visok CTE in anizotropijo ter težave s prebijanjem.
  
• Tipične uporabe: Visokonadzorna mikrovalovna vezja, radarski sistemi, satelitske komunikacije, visokofrekvenčna preskusna oprema.

6. Keramično polnjen PTFE:

• Tg vrednost: ≥ 250°C
  
• Značilnosti: V čist PTFE so dodani keramični polnila. Precej izboljšana stabilnost, povečana toplotna prevodnost, izboljšana mehanska trdnost in trdota ter lažja obdelava. Električne lastnosti so nekoliko slabše od čistega PTFE, vendar še vedno zelo dobre.
  
• Tipične uporabe: Visokofrekvenčni RF/mikrovalovni ojačevalniki moči, osnovnostenske antene, visokotemperaturna in visokofrekvenčna oprema, ki zahteva dobro odvajanje toplote.

7. Na ogljikovodikih temelječa keramična smola:

• Tg vrednost: ≥ 200°C
  
• Značilnosti: Sestavljeno iz hidrokarbonske smole in keramičnega polnila. Omogoča nizko dielektrično konstanto, nizke izgube, dobro toplotno stabilnost, odlično dimenzijsko stabilnost in obdelovalnost ter je običajno cenejše od materialov na osnovi PTFE.
  
• Tipične uporabe: Visokohitrostne digitalne tiskane plošče, visokofrekvenčne RF tiskane plošče, mikrovalovna oprema, avtomobilski radarji.

Zakaj izbrati LHD kot vašega strategičnega partnerja za visokotemperaturne PCB plošče?

Proizvodnja visokih Tg tiskanih vezij ni preprosto podaljšanje običajne proizvodnje FR-4. Od izbire materialov, kontrole laminacijskega procesa, natančnosti vrtanja do končne površinske obdelave in električnega testiranja – vsaka povezava postavlja skoraj zahtevne zahteve glede upravljanja temperature in natančnosti procesa. Majhna odstopanja lahko privedejo do odplastenja, počitve plošče ali nezadostne zmogljivosti. LHD je dobro pozna to. S 16 leti intenzivne izkušnje na področju specialnih PCB-jev se trudimo postati zanesljiv partner pri upravljanju toplote v vaših visokotemperaturnih aplikacijah.

LHD vam ponuja ne samo tiskana vezja, temveč tudi celovite rešitve zaščite v ekstremnih temperaturnih razmerah:

1. Storitev natančne izbire:

Naša ekipa srednjih in višjih inženirjev vam bo priporočila najbolj ekonomsko učinkovite rešitve materialov z najvišjo stopnjo ujemanja zmogljivosti glede na vaše specifične primere uporabe, da se izognete pretirani konstrukciji ali nezadostni zmogljivosti.

2. Natančno krmiljenje procesa:

Opremljeno s popolnoma avtomatskim večstopenjskim stiskalnikom za krmiljenje temperature in sistemom za spremljanje v živo, ter s podporno ekskluzivno bazo procesnih podatkov, zagotavlja optimalno stanje prečnega povezovanja pri vsaki plasti laminiranja in doseže proizvodnjo brez napak.

3. Celovito upravljanje s toploto v vseh fazah:

Od shranjevanja surovin do sledljivosti temperature v ključnih procesih in do simulacijskih testov v ekstremnih okoljih (TMA, T288 itd.), je zgrajen popoln sistem zagotovila za toplotno zanesljivost.

4. Prilagodljive proizvodne storitve

Podpora od 1 vzorca do milijonske serijske proizvodnje, omogoča tehnično spremljanje od optimizacije DFM do masovne proizvodnje in zagotavlja brezhibno povezavo.

5. Podpora skupni inovaciji

Odprite laboratorije za materiale in zanesljivost, si delite testne vire in skupaj premagate ekstremne težave s toplotno upravljanje, kot so električna vozila 800V in satelitska elektronika.

6. -Prav. Transparentna dobava vrednosti

Z obsežnim nabavljanjem in nadzorom pridelka se dolgoročna vrednost izdelka, ki presega pričakovane cene, zagotovi na podlagi preglednosti stroškov.

Izbira LHD pomeni izbiro PCB partnerja, ki ima globoko razumevanje in skrajnost nadzora nad "gretnostjo". Obljubljamo, da bomo uporabili najnovejšo tehnologijo, stroge standarde in iskreno sodelovanje, da zagotovimo, da bo vaš visoko-temperaturni elektronski sistem ostal robust kot prej v surovih okoljih.

Začnite s svojim "izboljšanim" načrtom.
Dobrodošli v LHD strokovni ekipi, da bi dobili visoko Tg PCB tehnično posvetovanje in rešitve za vašo uporabo.