Korkean TG-arvon FR4-materiaali viittaa epoksilasikuitulaminaattien luokkaan, jolla on korkea lasittumislämpötila. Käytännössä PCB-valmistus, TG on yksi keskeisistä parametreista, jotka määrittävät piirilevyn käyttäytymistä lämpökuormituksen alaisena, erityisesti lyijyttömässä juottamisessa ja pitkäaikaisessa korkean lämpötilan käytössä.
Verrattuna tavalliseen FR4-materiaaliin korkean TG-arvon omaavat materiaalit tarjoavat paremman rakenteellisen vakauden, ja niitä käytetään laajalti sovelluksissa, joissa lämpöluotettavuus on ratkaisevan tärkeää.
Sisällysluettelo
Mitä TG tarkoittaa piirilevyjen materiaaleissa
TG (lasittumislämpötila) on piste, jossa epoksihartsi alkaa siirtyä jäykästä, lasimaisesta tilasta pehmeämpään, kumimaiseen tilaan.
TG:n alapuolella materiaali pysyy vakaana ja mekaanisesti lujana. TG:n yläpuolella materiaali alkaa laajentua nopeammin ja menettää jäykkyyttään.
Piirilevyjen suunnittelussa tämä vaikuttaa suoraan seuraaviin seikkoihin:
- Muodonpysyvyys
- Luotettavuuden kautta
- Kerroksen kohdistaminen
- Pitkäaikainen mekaaninen lujuus
Tavallinen TG vs. korkea TG FR4
FR4-materiaalit jaetaan yleensä kolmeen luokkaan:
Vakiomallinen TG FR4
- TG noin 130–140 °C
- Soveltuu yleiseen elektroniikkaan
- Yleistä edullisissa kuluttajatuotteissa
Keskitiheä TG FR4
- TG noin 150–160 °C
- Tasapainoinen suorituskyky ja kustannukset
- Käytetään teollisuuselektroniikassa
Korkean lasittumislämpötilan FR4
- TG ≥ 170 °C
- Suunniteltu ympäristöihin, joissa lämpökuormitus on suuri
- Yleinen erittäin luotettavuutta vaativissa sovelluksissa
Korkean TG-arvon omaavat materiaalit säilyttävät rakenteellisen eheytensä useiden reflow-kierrosten aikana, minkä ansiosta ne soveltuvat nykyaikaisiin SMT-prosesseihin.
Miksi korkean TG-arvon FR4-materiaali on tärkeää piirilevyjen valmistuksessa
Piirilevykokoonpanojen monimutkaistumisen myötä tuotannon ja käytön aikana syntyvä lämpörasitus on kasvanut merkittävästi.
Korkean TG-arvon omaavat materiaalit auttavat vähentämään:
- Hartsin hajoaminen juottamisen aikana
- Delaminaatioriskit
- Via cracking
- Monikerroksisten rakenteiden vääntyminen
Ne parantavat myös pitkäaikaista luotettavuutta vaativissa olosuhteissa.
Sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet
Korkean TG-arvon omaava FR4 säilyttää yleensä samanlaiset sähköiset ominaisuudet kuin tavallinen FR4, mutta sen lämpökäyttäytyminen on parempi.
| Kiinteistö | Tyypillinen kantama |
|---|---|
| TG | ≥170 °C |
| Dielektrisyysvakio (Dk) | 4.2–4.7 |
| Häviökerroin (Df) | 0,015–0,020 |
| Lämpölaajeneminen (Z-akseli) | Alhaisempi kuin tavanomaisessa FR4-materiaalissa |
| Hajoamislämpötila | ~300 °C |
Tärkein parannus on Z-akselin laajenemisen vähentäminen, mikä vaikuttaa suoraan luotettavuuteen.
Missä korkean TG-arvon FR4-materiaalia käytetään
Korkean TG-arvon omaavaa FR4-materiaalia ei tarvita jokaiseen tuotteeseen, mutta siitä tulee välttämätöntä, kun luotettavuusvaatimukset kiristyvät tai lämpötila nousee.
Autoteollisuuden elektroniikka
Nykyaikaiset ajoneuvot ovat suuresti riippuvaisia elektronisista ohjausjärjestelmistä, jotka altistuvat korkeille lämpötiloille konepellin alla.
Sovelluksia ovat mm:
- Moottorin ohjausyksiköt (ECU)
- Ohjaustehostinjärjestelmät
- Akunhallintajärjestelmät (BMS)
Tehoelektroniikka
TG-arvoltaan korkeita materiaaleja käytetään laajalti seuraavilla aloilla:
- Virtalähteet
- Invertterit
- Teollisuuden tehomoduulit
Viestintäjärjestelmät
Käyttökohteet:
- Tukiasemakortit
- Verkkoinfrastruktuurilaitteet
- Optiset moduulit
Palvelin- ja tietojärjestelmät
Korkean TG-arvon omaavaa FR4-materiaalia käytetään yleisesti seuraavissa sovelluksissa:
- Palvelinten emolevyt
- Tallennusjärjestelmät
- Tiheästi pakatut laskentakortit
Valmistukseen liittyvät seikat
Korkean TG-arvon omaavien materiaalien käyttö vaikuttaa piirilevyjen valmistukseen monin tavoin.
Poraus ja läpivientien luotettavuus
Z-akselin alaosan laajenemisen vähentäminen parantaa tynnyrin luotettavuutta lämpösyklien aikana.
Laminointiprosessi
TG-arvoltaan korkeat materiaalit vaativat usein:
- Suurempi laminointipaine
- Ohjatut lämmitysprofiilit
- Tiukka hartsin virtauksen hallinta
Uudelleenvirtauksen kestävyys
Piirilevyjen on kestettävä useita SMT-uudelleensulatusjaksoja ilman, että niissä esiintyy delaminaatiota tai kuplien muodostumista.
Korkean TG-arvon FR4 vs. tavallinen FR4
| Ominaisuus | Standardi FR4 | Korkean lasittumislämpötilan FR4 |
| TG-arvo | 130–140 °C | ≥170 °C |
| Lämpöstabiilisuus | Kohtalainen | Korkea |
| Kustannukset | Alempi | Hieman korkeampi |
| Luotettavuus | Yleiskäyttö | Korkea luotettavuus |
| SMT-soveltuvuus | Basic | Edistyksellinen monivaiheinen uudelleenjuottaminen |
Kustannusero on suhteellisen pieni verrattuna luotettavuuden parantumiseen.
Korkean TG-arvon omaavan FR4-materiaalin rajoitukset
Vaikka korkea TG-arvo parantaa lämpöominaisuuksia, se perustuu silti epoksihartsijärjestelmiin.
Rajoituksia ovat:
- Suurempi dielektrinen häviö korkeilla taajuuksilla
- Ei sovellu mikroaaltosuunnitteluun
- Suorituskyky on rajoitettu yli useiden GHz:ien taajuuksilla
- Lämmönjohtavuus on edelleen suhteellisen alhainen
RF- tai erittäin nopeissa sovelluksissa suositellaan käytettäväksi vähähäviöisiä materiaaleja, kuten Rogersia tai Megtronia.
Materiaalivalintastrategia
Todellisessa piirilevyjen suunnittelussa korkean TG-arvon omaava FR4 on usein ”kompromissiratkaisu”.
Tyypillinen valintalogiikka on seuraava:
- Edullinen elektroniikka → Vakiomallinen FR4
- Teollisuus / autoteollisuus → Korkean TG-arvon FR4
- Suurnopeus / RF → Rogers tai PTFE
- Erittäin nopeat takalevyt → Megtronin tai Isolan nopeat sarjat
Tavallisimmat korkean TG-arvon FR4-toimittajat
Useat laminaattivalmistajat tarjoavat laajalti käytettyjä materiaaleja, joilla on korkea TG-arvo:
- Shengyi
- Kingboard
- ITEQ
- Isola
- Ventec
Jokainen toimittaja tarjoaa useita TG-laatuja erilaisiin suorituskyky- ja kustannusvaatimuksiin.
FAQ
A: Ei aina. Korkea TG-arvo on tarpeen vain silloin, kun piirilevy altistuu suurelle lämpörasitukselle tai useille uudelleensulatusjaksoille.
A: Ei merkittävästi. Se parantaa lähinnä lämpö- ja mekaanista luotettavuutta eikä niinkään korkeataajuista suorituskykyä.
A: Yleensä materiaalit, joiden TG-arvo on vähintään 170 °C, luokitellaan korkean TG-arvon FR4-materiaaleiksi.
V: Kyllä, mutta hintaero on yleensä kohtuullinen verrattuna tavalliseen FR4-materiaaliin.
A: Sitä voidaan käyttää kohtuullisen suurinopeuksisissa sovelluksissa, mutta radiotaajuussignaaleissa tai erittäin suurinopeuksisissa signaaleissa suositellaan häviöiltään vähäisiä laminaatteja.