ПХБ с высоким содержанием Tg против стандартного FR-4: что обеспечивает лучшую тепловую производительность?

В электронике температура является тихим убийцей. От автомобильных двигателей до промышленных печей, ПХБ часто работают в условиях, когда температура может достигать 150 ° C или выше.Разница между функциональным устройством и неисправным часто сводится к субстрату ПХБ.PCB с высоким Tg и стандартный FR-4 являются двумя наиболее распространенными вариантами, но они работают резко по-разному при тепловом напряжении.Ниже приведена подробная разбивка, которая поможет вам выбрать подходящую для вашего заявления.

Что такое Tg и почему это важно?
Температура перехода стекла (Tg) - это температура, при которой ПКБ-субстрат переходит из жесткого, стеклоподобного состояния в мягкое, резинообразное.диэлектрические свойстваВыше Tg он деформируется, теряет изоляционную способность и рискует потерпеть сбой соединения сварки или следы трещин.

Этот переход имеет решающее значение, поскольку современная электроника, от светодиодных драйверов до контроллеров электромобилей, генерирует значительное количество тепла.Контроллер промышленного двигателя может достигать 160°C во время работы; ПХБ с низким Tg быстро деградирует здесь, в то время как субстрат с высоким Tg сохранит свою форму и производительность.

ПХБ с высоким Tg против стандартного FR-4: ключевые различия
Два субстрата расходятся в пяти критических областях, как показано в этом сравнении:

Тепловая производительность: где блещут ПХБ с высоким Tg
Тепло является главным отличием между этими двумя субстратами.

1Устойчивость к деформации
Стандартный FR-4 начинает смягчаться, как только температура превышает его Tg (130-140 ° C). При 150 ° C он может изгибаться на 0,3 - 0,5 мм на метр, в результате чего соединители сварки трескаются или следы оттягиваются от подложки.Это катастрофическое в точных устройствах, таких как системы управления батареями электромобилей (BMS)., где даже 0,1 мм изгиба может отключить критические датчики.

Высоко Tg ПХБ, напротив, остаются жесткими значительно выше 170 ° C. 180 ° C Tg субстрат будет показывать только минимальное изгибание (< 0,1 мм / м) при 190 ° C,что делает его идеальным для автомобильных ПКБ под капотом или промышленных инверторов управления, которые работают вблизи горячих двигателей.

2. Размерная стабильность
Тепло приводит к расширению всех материалов, но стандартный FR-4 значительно расширяется, когда превышает свой Tg.Его коэффициент теплового расширения (CTE) поднимается с ~ 15 ppm/°C (ниже Tg) до 70+ ppm/°C (выше Tg)Это несоответствие с медью (CTE: 17 ppm/°C) приводит к отрыву от субстрата следов подъема.

ПХБ с высоким содержанием Tg имеют более низкий, более стабильный CTE (20-30 ppm/°C даже выше Tg) из-за их усиленной смолой системы.,где расстояние между следами не больше 3 миллиметров.

3. Диэлектрические свойства при нагревании
Выше Tg стандартная диэлектрическая постоянная FR-4 (Dk) увеличивается на 10−15%, а ее тангенс потери (Df) увеличивается на 20−25%. Это ухудшает целостность сигнала, что делает его непригодным для высокочастотных конструкций (например,., 5G промышленных датчиков), где стабильная импеданс является критической.

Субстраты с высоким Tg сохраняют постоянные Dk (± 3%) и Df (± 5%) до 180°C. Например, FR-4 с высоким Tg с Tg 170°C сохраняет Dk 4,2 при 160°C по сравнению со стандартными FR-4 ′′s Dk 4.8 при одной температуреЭта стабильность жизненно важна для радарных модулей в автономных транспортных средствах, которые полагаются на точное синхронизирование сигнала.

4Устойчивость к влаге и химическим веществам
Тепло и влажность являются опасными парами. Стандартный FR-4 поглощает 0,15% влаги, которая при нагревании превращается в пар и создает "пузыри" в субстрате.перерабатывающие предприятия), это может привести к короткому замыканию в течение нескольких месяцев.

ПХБ с высоким Tg используют модифицированные смолы, которые уменьшают абсорбцию воды до <0,1%. В сочетании с их теплостойкостью это делает их устойчивыми к образованию пузырей,даже при влажности 90% при 160°C — обычное состояние в морской или наружной электронике.

Когда выбирать ПХБ с высоким Tg (и когда придерживаться стандарта FR-4)
Ваш выбор зависит от температурных требований вашего приложения, потребностей в производительности и бюджета:

Выберите ПХБ с высоким Tg, если:
a.Устройство работает при температуре ≥ 150°C (например, в автомобильных двигателях, промышленных печах).
b.Необходима долгосрочная надежность (более 10 лет) в суровых условиях (например, авиационно-космическая электроника).
c. Целостность сигнала имеет решающее значение (высокочастотные или высокоскоростные конструкции, такие как базовые станции 5G).
d.Ваш ПХБ имеет плотные компоненты или следы тонкого звука (чтобы избежать коротких шортов, связанных с деформацией).

Выберите стандарт FR-4 Если:
a. Рабочая температура должна быть ниже 130°C (например, потребительская электроника, такие как умные телевизоры, офисные принтеры).
b.Стоимость является основной проблемой (стандартный FR-4 на 30-50% дешевле, чем альтернативы с высоким содержанием Tg).
c. Устройство имеет короткий срок службы (3-5 лет), как одноразовые медицинские мониторы.

Пример из реального мира: Автомобильные BMS
Ведущий производитель электромобилей перешел от стандартного FR-4 к 180°C Tg PCB в своих системах управления батареями.

a.Ошибки поля из-за теплового деформации снизились на 72%.
b.BMS поддерживает стабильную производительность в аккумуляторных пакетах, достигающих 170°C при быстрой зарядке.
Срок службы ПКБ увеличен с 5 до 8 лет, соответственно гарантии на транспортное средство.

Заключение
Высоко-Tg ПХБ и стандартный FR-4 служат различным целям. Стандартный FR-4 является экономически эффективным рабочим конем для устройств с низкой температурой и коротким сроком службы, в то время как высоко-Tg ПХБ превосходят при высоких температурах,приложения с высокой надежностьюКлючом является соответствие Tg субстрата рабочей среде устройства, игнорируя это, что может привести к преждевременным сбоям, дорогостоящей переработке или рискам для безопасности.

Для большинства промышленных, автомобильных или аэрокосмических проектов инвестиции в высоко Tg ПХБ окупаются в долговечности и производительности.Стандарт FR-4 остается практическим выбором.