High-Tg-Leiterplatten vs. Standard-FR-4: Welche bieten überlegene thermische Leistung?

In der Elektronik ist die Temperatur ein stillschweigender Killer. Von Automobilmotorräumen bis hin zu Industrieöfen arbeiten PCBs oft in Umgebungen, in denen die Hitze 150 °C oder höher erreichen kann.Der Unterschied zwischen einem funktionierenden und einem fehlgeschlagenen Gerät hängt häufig vom PCB-Substrat ab.Hoch-Tg-PCBs und Standard-FR-4 sind die beiden gängigsten Optionen, aber sie funktionieren unter Wärmebelastung drastisch unterschiedlich.Hier ist eine detaillierte Aufschlüsselung, um Ihnen zu helfen, die richtige für Ihre Bewerbung auszuwählen.

Was ist Tg und warum ist es wichtig?
Glasübergangstemperatur (Tg) ist die Temperatur, bei der sich ein PCB-Substrat von einem starren, glasartigen Zustand zu einem weichen, gummiartigen verändert.Dielektrische EigenschaftenÜber Tg verformt es sich, verliert die Isolationsfähigkeit und besteht das Risiko, dass das Lötgelenk versagt oder Risse aufweist.

Dieser Übergang ist von entscheidender Bedeutung, da moderne Elektronik – von LED-Treibern zu Steuerungen für Elektrofahrzeuge – erhebliche Wärme erzeugt.eine industrielle Motorsteuerung während des Betriebs 160°C erreichen kannHier wird ein PCB mit niedrigem Tg rasch abgebaut, während ein Substrat mit hohem Tg seine Form und Leistung behält.

Hoch-Tg-PCBs gegen Standard-FR-4: Hauptunterschiede
Die beiden Substrate unterscheiden sich in fünf kritischen Bereichen, wie in diesem Vergleich gezeigt:

Wärmeeffizienz: Wo Hoch-Tg-PCBs glänzen
Die größte Unterscheidung zwischen den beiden Substraten ist die Hitze.

1. Widerstandsfähigkeit gegen Verformungen
Standard-FR-4 beginnt zu erweichen, sobald die Temperaturen sein Tg (130-140°C) übersteigen. Bei 150°C kann es sich um 0,3 - 0,5 mm pro Meter verzerren, wodurch Lösegelenke knacken oder Spuren von Pads abziehen.Dies ist katastrophal für Präzisionsgeräte wie EV-Batteriemanagementsysteme (BMS), wo auch nur 0,1 mm Verformung kritische Sensoren trennen kann.

Hoch-Tg-PCBs hingegen bleiben deutlich über 170°C starr. Ein 180°C-Tg-Substrat zeigt bei 190°C nur eine minimale Verformung (<0,1mm/m),so dass es ideal für unter der Motorhaube befindliche PCBs oder industrielle Wechselrichtersteuerungen geeignet ist, die in der Nähe von heißen Motoren betrieben werden.

2. Dimensionelle Stabilität
Wärme verursacht alle Materialien zu erweitern, aber Standard FR-4 erweitert sich deutlich mehr, sobald seine Tg.Sein Koeffizient der thermischen Expansion (CTE) steigt von ~ 15 ppm/°C (unter Tg) auf 70+ ppm/°C (über Tg)Diese Abweichung von Kupfer (CTE: 17 ppm/°C) führt dazu, daß sich Spuren von Kupfer abziehen.

Hoch-Tg-PCBs haben aufgrund ihrer verstärkten Harzsysteme eine niedrigere, stabilere CTE (20 ∼30 ppm/°C sogar über Tg). Dies reduziert die Belastung von Kupferspuren, die für PCBs mit hoher Dichte in LED-Stromversorgungen unabdingbar sind,wo der Abstand zwischen den Spuren nur 3 millimeter beträgt.

3. Dielektrische Eigenschaften bei Hitze
Über Tg steigt die dielektrische Konstante (Dk) des Standard-FR-4 ̊ um 10 ̊15% und seine Verlusttangente (Df) um 20 ̊25%. Dies beeinträchtigt die Signalintegrität und macht sie für Hochfrequenzkonstruktionen (z. B.., 5G-Industrie-Sensoren) bei denen eine stabile Impedanz kritisch ist.

Hoch-Tg-Substrate halten Dk (± 3%) und Df (± 5%) bis zu 180 °C konstant. Zum Beispiel behält hoch-Tg FR-4 mit einem Tg von 170 °C bei 160 °C ein Dk von 4,2, verglichen mit Standard-FR-4 ′s Dk von 4.8 bei gleicher TemperaturDiese Stabilität ist für Radarmodule in autonomen Fahrzeugen von entscheidender Bedeutung, die auf genaue Signalzeitung angewiesen sind.

4. Feuchtigkeits- und Chemikalienbeständigkeit
Wärme und Luftfeuchtigkeit sind ein gefährliches Paar. Standard-FR-4 absorbiert 0,15% Feuchtigkeit, die sich beim Erhitzen in Dampf verwandelt und Blasen im Substrat erzeugt.Lebensmittelverarbeitungsanlagen), kann dies innerhalb weniger Monate zu Kurzschlüssen führen.

Hoch-Tg-PCBs verwenden modifizierte Harze, die die Wasserabsorption auf <0,1% reduzieren.auch bei 90% Luftfeuchtigkeit bei 160°C.

Wann sollte man PCB mit hohem Tg-Gehalt wählen (und wann sollte man sich an den Standard FR-4 halten)?
Ihre Wahl hängt von den Temperaturanforderungen, den Leistungsbedürfnissen und dem Budget Ihrer Anwendung ab:

Wählen Sie PCB mit hohem Tg-Gehalt, wenn:
a. Ihr Gerät arbeitet bei Temperaturen von ≥ 150 °C (z. B. Motorsteuerungseinheiten für Kraftfahrzeuge, Industrieöfen).
b. Sie benötigen eine langfristige Zuverlässigkeit (mehr als 10 Jahre) in rauen Umgebungen (z. B. Luft- und Raumfahrt-Avionik).
c. Die Integrität des Signals ist von entscheidender Bedeutung (Hochfrequenz- oder Hochgeschwindigkeitskonzepte wie 5G-Basisstationen).
d. Ihr PCB hat dichte Komponenten oder Spuren von feinem Ton (um Kurzschlüsse zu vermeiden, die mit Verformung zusammenhängen).

Standard FR-4 wählen, wenn:
a.Betriebstemperaturen unter 130°C (z. B. für Unterhaltungselektronik wie Smart-TVs, Bürodrucker).
b.Die Kosten sind ein Hauptanliegen (Standard-FR-4 ist 30~50% günstiger als hoch-Tg-Alternativen).
c. Das Gerät hat eine kurze Lebensdauer (3-5 Jahre), wie beispielsweise einwegverwendbare medizinische Monitoren.

Beispiel aus der realen Welt: Automotive BMS
Ein führender Hersteller von Elektrofahrzeugen wechselte in seinen Batteriemanagementsystemen von Standard-FR-4 auf 180°C Tg PCBs.

a.Feldfehler aufgrund hitzebedingter Verformung sanken um 72%.
b.Das BMS gewährleistete eine stabile Leistung bei Batteriepaketen, die bei schnellem Aufladen 170°C erreichten.
c. Die Lebensdauer des PCB wurde von 5 Jahren auf mehr als 8 Jahre verlängert, entsprechend der Garantie des Fahrzeugs.

Schlussfolgerung
Hoch-Tg-PCBs und Standard-FR-4 dienen unterschiedlichen Zwecken. Standard-FR-4 ist ein kostengünstiges Arbeitspferd für Geräte mit niedriger Temperatur und kurzer Lebensdauer, während PCBs mit hohem Tg bei hohen Temperaturen hervorragend sind,Hochverlässliche AnwendungenDer Schlüssel besteht darin, die Tg des Substrats an die Betriebsumgebung Ihres Geräts anzupassen, was zu vorzeitigen Ausfällen, kostspieligen Nacharbeiten oder Sicherheitsrisiken führen kann.

Für die meisten Industrie-, Automobil- oder Luftfahrtprojekte zahlt sich die Investition in PCB mit hohem Tg-Gehalt in Langlebigkeit und Leistung aus.Standard FR-4 bleibt eine praktische Wahl.