High-Tg PCB's versus standaard FR-4: welke levert betere thermische prestaties?

In de elektronica is de temperatuur een stille moordenaar. Van motorruimtes in auto's tot industriële ovens werken PCB's vaak in omgevingen waar de temperatuur 150°C of hoger kan bereiken.Het verschil tussen een functioneel apparaat en een niet-functioneel apparaat komt vaak neer op het substraat van de PCB's.Hoog-Tg PCB's en standaard FR-4 zijn de twee meest voorkomende opties, maar ze presteren drastisch anders onder warmte-spanning.Hieronder vindt u een gedetailleerde uitsplitsing om u te helpen de juiste keuze te maken voor uw aanvraag.

Wat is Tg en waarom is het belangrijk?
Glastransitie temperatuur (Tg) is de temperatuur waarbij een PCB-substraat van een starre, glasachtige staat overgaat naar een zachte, rubberige.dielektrische eigenschappenBovenaan Tg vervormt het, verliest het isolatievermogen en loopt het risico dat de soldeerverbinding mislukt of scheurt.

Deze transitie is van cruciaal belang omdat moderne elektronica, van LED-drivers tot elektrische voertuigcontrollers, aanzienlijke warmte opwekt.een industriële motorregelaar kan 160°C bereiken tijdens het gebruikHier zal een PCB met een lage Tg snel afbreken, terwijl een substraat met een hoge Tg zijn vorm en prestaties behoudt.

Hoge-Tg-PCB's versus standaard FR-4: belangrijkste verschillen
De twee substraten verschillen in vijf kritieke gebieden, zoals blijkt uit deze vergelijking:

Thermische prestaties: waar PCB's met een hoge TG-waarde schijnen
Het grootste onderscheid tussen de twee substraten is de hitte.

1. weerstand tegen vervorming
Standard FR-4 begint te verzachten zodra de temperaturen zijn Tg (130-140°C) overschrijden.Dit is catastrofaal voor precisie-apparaten zoals EV-batterijbeheersystemen (BMS)., waar zelfs 0,1 mm warping kritieke sensoren kan ontkoppelen.

PCB's met een hoge Tg-waarde blijven daarentegen ver boven de 170°C stijf. Een 180°C Tg-substraat zal bij 190°C slechts minimale vervorming vertonen (< 0,1 mm/m),een vermogen van meer dan 50 W,.

2Dimensionale stabiliteit.
Warmte zorgt ervoor dat alle materialen uitdijen, maar standaard FR-4 breidt zich aanzienlijk meer uit zodra de Tg is overschreden.De coëfficiënt van thermische uitbreiding (CTE) springt van ~ 15 ppm/°C (onder Tg) tot 70+ ppm/°C (boven Tg)Deze mismatch met koper (CTE: 17 ppm/°C) leidt tot “koperen opheffing” van sporen die van het substraat afvallen.

Hoge Tg PCB's hebben een lagere, stabielere CTE (20-30 ppm/°C zelfs boven Tg) vanwege hun versterkte harssystemen.,Waar de afstand tussen de sporen maar 3 millimeter is.

3. Dielectrische eigenschappen onder hitte
Boven Tg stijgt de dielectrische constante (Dk) van standaard FR-4 ̊ met 10 ̊15%, en de verliestangent (Df) met 20 ̊25%. Dit vermindert de signaalintegrititeit en maakt het ongeschikt voor hoogfrequente ontwerpen (bijv.., 5G industriële sensoren) waar een stabiele impedantie cruciaal is.

Hoog-Tg-substraten behouden consistent Dk (±3%) en Df (±5%) tot 180°C. Bijvoorbeeld, hoog-Tg FR-4 met een Tg van 170°C behoudt een Dk van 4,2 bij 160°C, vergeleken met standaard FR-4's Dk van 4.8 bij dezelfde temperatuurDeze stabiliteit is van vitaal belang voor radarmodules in autonome voertuigen, die afhankelijk zijn van nauwkeurige signaaltiming.

4Vocht en chemische weerstand
Hitte en vochtigheid zijn een gevaarlijk paar. Standaard FR-4 absorbeert 0,15 ∼0,2% vocht, dat bij verhitting in stoom verandert en blaren in het substraat creëert.voedselverwerkende bedrijven), kan dit binnen enkele maanden tot kortsluitingen leiden.

PCB's met een hoge TG-waarde maken gebruik van gemodificeerde harsen die de waterabsorptie tot < 0,1% verminderen.zelfs bij 90% luchtvochtigheid bij 160°C.

Wanneer high-Tg-PCB's moeten worden gekozen (en wanneer de standaard FR-4 moet worden gebruikt)
Uw keuze is afhankelijk van de temperatuurbehoeften, prestatiebehoeften en budget van uw applicatie:

Kies PCB's met een hoge TG-waarde als:
a.Uw apparaat werkt bij temperaturen ≥ 150°C (bijv. motorbesturingseenheden voor auto's, industriële ovens).
b.Je hebt langdurige betrouwbaarheid nodig (10+ jaar) in moeilijke omgevingen (bijv. lucht- en ruimtevaart avionics).
c.Signalintegritie is van cruciaal belang (hoge frequentie- of hogesnelheidsontwerpen zoals 5G-basisstations).
d. Uw pcb heeft dichte componenten of fijne toonhoogte sporen (om vervorming gerelateerde shorts te voorkomen).

Kies standaard FR-4 indien:
a.Bedieningstemperatuur lager dan 130°C (bijv. consumentenelektronica zoals slimme tv's, kantoorprinters).
b.Kosten zijn een primaire zorg (standaard FR-4 is 30~50% goedkoper dan alternatieven met een hoge TG-waarde).
c. Het apparaat heeft een korte levensduur (3-5 jaar), zoals eenmalige medische monitoren.

Echt voorbeeld: Automotive BMS
Een toonaangevende fabrikant van elektrische voertuigen is overgestapt van standaard FR-4 naar 180°C Tg PCB's in hun batterijbeheersystemen.

a.Veldfalen als gevolg van warmte-gerelateerde vervorming daalden met 72%.
b.Het BMS heeft een stabiele prestatie behouden bij batterijpakketten die 170°C bereiken tijdens snel opladen.
c.De levensduur van het PCB is verlengd van 5 jaar tot 8+ jaar, in overeenstemming met de garantie van het voertuig.

Conclusies
High-Tg PCB's en standaard FR-4 dienen verschillende doeleinden.toepassingen met een hoge betrouwbaarheidDe sleutel is om de Tg van het substraat te matchen met de bedrijfsomgeving van uw apparaat. Dit kan leiden tot vroegtijdig falen, kostbare herwerkingen of veiligheidsrisico's.

Voor de meeste industriële, automobiel- of ruimtevaartprojecten loont de investering in PCB's met een hoge TG-waarde in levensduur en prestaties.de standaard FR-4 blijft een praktische keuze.