„FR4 mit hohem TG“ bezeichnet eine Klasse von Epoxid-Glasfaser-Laminaten mit einer erhöhten Glasübergangstemperatur. In der Praxis PCB-Herstellung, TG ist einer der wichtigsten Parameter, der das Verhalten einer Leiterplatte unter thermischer Belastung bestimmt, insbesondere beim bleifreien Löten und beim langfristigen Betrieb bei hohen Temperaturen.
Im Vergleich zu herkömmlichem FR4 bieten Materialien mit hohem TG eine bessere strukturelle Stabilität und werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen die thermische Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung ist.
Inhaltsübersicht
Was TG bei Leiterplattenmaterialien bedeutet
Die TG (Glasübergangstemperatur) ist der Punkt, an dem das Epoxidharz beginnt, von einem starren, glasartigen Zustand in einen weicheren, gummiartigen Zustand überzugehen.
Unterhalb der TG bleibt das Material stabil und mechanisch fest. Oberhalb der TG beginnt das Material, sich schneller auszudehnen, und verliert an Steifigkeit.
Beim Leiterplattenentwurf wirkt sich dies unmittelbar auf Folgendes aus:
- Formstabilität
- Über Zuverlässigkeit
- Ausrichtung der Ebenen
- Langfristige mechanische Festigkeit
FR4 mit Standard-TG im Vergleich zu FR4 mit hohem TG
FR4-Materialien werden im Allgemeinen in drei Kategorien unterteilt:
Standard-TG FR4
- TG bei ca. 130 °C–140 °C
- Geeignet für allgemeine Elektronik
- Häufig in preisgünstigen Konsumgütern anzutreffen
Mid TG FR4
- TG bei ca. 150 °C–160 °C
- Ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Kosten
- Einsatz in der Industrieelektronik
FR4 mit hohem Glasübergangspunkt
- TG ≥ 170 °C
- Entwickelt für Umgebungen mit hoher thermischer Belastung
- Häufig in Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen eingesetzt
Materialien mit hohem TG-Wert behalten ihre strukturelle Integrität auch nach mehreren Reflow-Zyklen bei und eignen sich daher für moderne SMT-Prozesse.
Warum FR4 mit hohem TG-Wert bei der Leiterplattenherstellung wichtig ist
Da Leiterplattenbaugruppen immer komplexer werden, hat die thermische Belastung während der Produktion und im Betrieb erheblich zugenommen.
Materialien mit hohem TG-Wert tragen dazu bei, Folgendes zu reduzieren:
- Zersetzung des Harzes beim Löten
- Risiken der Delaminierung
- Über das Knacken
- Verformungen in mehrschichtigen Strukturen
Außerdem verbessern sie die langfristige Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen.
Elektrische und mechanische Eigenschaften
FR4 mit hohem TG weist im Allgemeinen ähnliche elektrische Eigenschaften wie Standard-FR4 auf, verfügt jedoch über ein verbessertes thermisches Verhalten.
| Eigentum | Typischer Bereich |
|---|---|
| TG | ≥170 °C |
| Dielektrizitätskonstante (Dk) | 4,2–4,7 |
| Verlustfaktor (Df) | 0,015–0,020 |
| Wärmeausdehnung (Z-Achse) | Niedriger als bei Standard-FR4 |
| Zersetzungstemperatur | ~300 °C |
Die wichtigste Verbesserung ist die geringere Ausdehnung in der Z-Achse, was sich direkt auf die Zuverlässigkeit auswirkt.
Anwendungsbereiche von FR4 mit hohem TG-Wert
FR4 mit hohem TG-Wert ist nicht für jedes Produkt erforderlich, wird jedoch unverzichtbar, wenn die Anforderungen an die Zuverlässigkeit steigen oder die Temperaturen zunehmen.
Kfz-Elektronik
Moderne Fahrzeuge sind in hohem Maße auf elektronische Steuerungssysteme angewiesen, die hohen Temperaturen unter der Motorhaube ausgesetzt sind.
Die Anwendungen umfassen:
- Motorsteuergeräte (ECU)
- Servolenkungssysteme
- Batterie-Management-Systeme (BMS)
Leistungselektronik
Materialien mit hohem TG-Wert finden breite Anwendung in:
- Schaltnetzteile
- Wechselrichter
- Industrielle Leistungsmodule
Kommunikationssysteme
Verwendet in:
- Basisstationsplatinen
- Netzwerkinfrastruktur-Geräte
- Optische Module
Server und Datensysteme
FR4 mit hohem TG-Wert kommt häufig vor in:
- Server-Motherboards
- Lagersysteme
- Rechenplatinen mit hoher Packungsdichte
Überlegungen zur Herstellung
Die Verwendung von Materialien mit hohem TG wirkt sich in mehrfacher Hinsicht auf die Leiterplattenherstellung aus.
Bohr- und Via-Zuverlässigkeit
Eine geringere Ausdehnung der Z-Achse verbessert die Zuverlässigkeit der Durchflussdüse bei Temperaturwechselbeanspruchung.
Lamination Prozess
Materialien mit hohem TG-Wert erfordern häufig:
- Höherer Laminierdruck
- Gesteuerte Heizprofile
- Strenge Steuerung des Harzflusses
Reflow-Beständigkeit
Die Leiterplatten müssen mehreren SMT-Reflow-Zyklen standhalten, ohne dass es zu Delaminationen oder Blasenbildung kommt.
FR4 mit hohem TG im Vergleich zu Standard-FR4
| Merkmal | Standard FR4 | FR4 mit hohem Glasübergangspunkt |
| TG-Wert | 130–140 °C | ≥170 °C |
| Thermische Stabilität | Mäßig | Hoch |
| Kosten | Unter | Etwas höher |
| Verlässlichkeit | Allgemeine Verwendung | Hohe Zuverlässigkeit |
| Eignung für die SMT-Montage | Grundlegend | Erweiterter Multi-Reflow |
Der Kostenunterschied ist im Vergleich zur Verbesserung der Zuverlässigkeit relativ gering.
Einschränkungen von FR4 mit hohem TG-Wert
Obwohl ein hoher TG-Wert die thermische Leistung verbessert, basieren diese Materialien nach wie vor auf Epoxidharzsystemen.
Zu den Beschränkungen gehören:
- Höhere dielektrische Verluste bei hohen Frequenzen
- Nicht für Mikrowellenkonstruktionen geeignet
- Eingeschränkte Leistung oberhalb von mehreren GHz
- Die Wärmeleitfähigkeit ist nach wie vor relativ gering
Für HF- oder Ultrahochgeschwindigkeitsanwendungen werden verlustarme Materialien wie Rogers oder Megtron bevorzugt.
Strategie der Materialauswahl
In der Praxis der Leiterplattenentwicklung stellt FR4 mit hoher Glasübergangstemperatur oft einen „Kompromiss“ dar.
Eine typische Auswahllogik lautet:
- Kostengünstige Elektronik → Standard-FR4
- Industrie / Automobilindustrie → FR4 mit hohem Glasübergangspunkt
- Hochgeschwindigkeits-/HF-Leitungen → Rogers oder PTFE
- Ultraschnelle Backplanes → Megtron oder Isola High-Speed-Serien
Gängige Lieferanten von FR4 mit hohem TG-Wert
Mehrere Laminathersteller bieten weit verbreitete Materialien mit hohem TG an:
- Shengyi
- Kingboard
- ITEQ
- Insel
- Ventec
Jeder Anbieter hat mehrere TG-Typen im Sortiment, die unterschiedlichen Leistungs- und Kostenanforderungen gerecht werden.
FAQ
A: Nicht immer. Ein hoher TG-Wert ist nur dann erforderlich, wenn die Leiterplatte einer höheren thermischen Belastung oder mehreren Reflow-Zyklen ausgesetzt ist.
A: Nicht wesentlich. Es verbessert vor allem die thermische und mechanische Zuverlässigkeit und weniger die Hochfrequenzleistung.
A: In der Regel werden Materialien mit einer TG von ≥ 170 °C als FR4 mit hoher TG eingestuft.
A: Ja, aber der Preisunterschied ist im Vergleich zu Standard-FR4 in der Regel gering.
A: Es kann für Anwendungen mit mäßiger Übertragungsgeschwindigkeit verwendet werden, für HF-Signale oder Signale mit sehr hoher Übertragungsgeschwindigkeit sind jedoch verlustarme Laminate vorzuziehen.