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根據(jù)Tg值選擇PCB基板

  • 2025-07-18 14:56:00
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印刷電路板 (PCB) 是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的支柱,選擇正確的基板材料對(duì)于確保性能、可靠性和使用壽命至關(guān)重要。這一決定的一個(gè)關(guān)鍵因素是基板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg),它決定了 PCB 在作和制造過(guò)程中的耐熱能力。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō),了解 Tg 值對(duì)于設(shè)計(jì)滿(mǎn)足特定熱、電氣和機(jī)械要求的電路板至關(guān)重要。

高TG PCB


什么是 Tg,為什么它很重要?

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg) 是由于聚合物鏈遷移率增加,PCB 基板從剛性玻璃狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^軟橡膠狀態(tài)的溫度范圍。Tg 以攝氏度 (°C) 為單位測(cè)量,是一種關(guān)鍵的熱特性,會(huì)影響基板在熱下的穩(wěn)定性,特別是在焊接等制造過(guò)程中或高溫作環(huán)境中。


Tg 太接近或低于工作或焊接溫度的基板有變形、分層甚至失效的風(fēng)險(xiǎn)。例如,標(biāo)準(zhǔn)無(wú)鉛焊接工藝通常會(huì)達(dá)到 200°C 至 260°C 之間的溫度,因此基板的 Tg 必須足夠高以保持結(jié)構(gòu)完整性。此外,Tg 還會(huì)影響剛性等機(jī)械性能和介電穩(wěn)定性等電氣性能,使其成為 PCB 材料選擇的基石。

PCB截面

 


影響PCB基板中Tg的關(guān)鍵因素

在選擇基于 Tg 的基板時(shí),工程師必須考慮影響熱性能和整體 PCB 可靠性的幾個(gè)因素。下面,我們概述了最關(guān)鍵的考慮因素:

1.作環(huán)境

PCB應(yīng)用的環(huán)境溫度是Tg選擇的主要驅(qū)動(dòng)因素。對(duì)于智能手機(jī)或筆記本電腦等通用電子產(chǎn)品,Tg 為 130°C 至 180°C 的標(biāo)準(zhǔn) FR-4 基板通常就足夠了,因?yàn)檫@些設(shè)備通常在 100°C 以下運(yùn)行。 然而,汽車(chē)引擎蓋下電子設(shè)備或航空航天系統(tǒng)等可能面臨超過(guò) 150°C 溫度的應(yīng)用需要高 Tg 基板(例如 Tg > 170°C)來(lái)確保可靠性。

2. 制造工藝

焊接過(guò)程,尤其是無(wú)鉛焊接,會(huì)使 PCB 暴露在高溫下。Tg 低于焊接溫度(例如,無(wú)鉛焊接為 260°C)的基板可能會(huì)軟化,從而導(dǎo)致翹曲或?qū)臃蛛x。對(duì)于無(wú)鉛組裝,我們建議最小 Tg 為 170°C,使用高 Tg FR-4 或聚酰亞胺 (Tg ~250°C) 等先進(jìn)材料,用于要求更高的工藝。

3. 熱循環(huán)

PCB 經(jīng)受反復(fù)加熱和冷卻循環(huán),例如在工業(yè)或汽車(chē)應(yīng)用中,需要具有高 Tg 值的基板來(lái)抵抗熱應(yīng)力。較高的 Tg 可降低因熱膨脹和收縮而導(dǎo)致機(jī)械故障的風(fēng)險(xiǎn)。例如,Tg 為 280°C 至 350°C 的聚酰亞胺襯底非常適合具有極端熱循環(huán)的應(yīng)用。

4. 電氣性能

Tg 還會(huì)影響襯底的介電性能,這對(duì)于高頻或高速電路至關(guān)重要。具有較高 Tg 值的基板,如 Rogers 4350B (Tg ~280°C),在高溫下保持穩(wěn)定的介電常數(shù) (Dk) 和低耗散因數(shù) (Df),確保射頻和微波應(yīng)用中的信號(hào)完整性。

 

常見(jiàn)的 PCB 基板及其 Tg 值

為了幫助工程師做出明智的決策,我們編制了一份流行的 PCB 基板、它們的 Tg 值及其理想應(yīng)用的列表。每種材料都提供根據(jù)特定設(shè)計(jì)要求量身定制的獨(dú)特性能。

1. FR-4 (Tg: 130°C 至 180°C)

FR-4 是一種帶有環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑的編織玻璃纖維布,由于其成本效益和多功能性,它是使用最廣泛的 PCB 基材。標(biāo)準(zhǔn) FR-4 的 Tg 范圍為 130°C 至 180°C,適用于消費(fèi)電子、工業(yè)控制和低頻應(yīng)用。然而,其相對(duì)較低的 Tg 使其不太適合高溫或高頻設(shè)計(jì)。

  • 應(yīng)用:智能手機(jī)、個(gè)人電腦、家用電器

  • 優(yōu)點(diǎn): 成本低,機(jī)械強(qiáng)度好,廣泛可用

  • 缺點(diǎn): 有限的熱性能和高頻性能

2. 高 Tg FR-4(Tg:170°C 至 200°C)

高 Tg FR-4 變體,例如 Isola 370HR,經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì),可承受更高的溫度,使其與無(wú)鉛焊接和適度熱循環(huán)兼容。這些材料的 Tg 值在 170°C 和 200°C 之間,對(duì)于需要提高熱穩(wěn)定性的應(yīng)用來(lái)說(shuō),這是一種經(jīng)濟(jì)高效的升級(jí)。

  • 應(yīng)用:汽車(chē)電子、電源、電信

  • 優(yōu)點(diǎn): 平衡成本和性能,兼容無(wú)鉛焊接

  • 缺點(diǎn): 仍然僅限于極端高頻或高溫應(yīng)用

3. 聚酰亞胺(Tg:250°C 至 350°C)

聚酰亞胺襯底以其卓越的熱穩(wěn)定性而聞名,Tg 值范圍為 250°C 至 350°C。它們非常適合用于高溫環(huán)境或需要機(jī)械柔韌性的應(yīng)用中使用的柔性和剛?cè)峤Y(jié)合 PCB。聚酰亞胺還具有出色的耐化學(xué)性和低吸濕性。

  • 應(yīng)用:航空航天、醫(yī)療植入物、大功率電子

  • 優(yōu)點(diǎn): 高熱穩(wěn)定性、柔韌性、耐化學(xué)性

  • 缺點(diǎn): 成本較高,制造復(fù)雜

4. 羅杰斯層壓板(Tg:280°C 及以上)

羅杰斯層壓板(如 RO4350B 或 RO4003C)是專(zhuān)為射頻和微波應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能基板。由于 Tg 值通常超過(guò) 280°C,它們提供穩(wěn)定的介電性能(Dk ~3.2 至 3.6,Df ~0.002 至 0.003)和出色的熱管理,使其成為高頻電路的理想選擇。

  • 應(yīng)用:5G 天線(xiàn)、雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信

  • 優(yōu)點(diǎn): 低信號(hào)損耗、高熱穩(wěn)定性、出色的阻抗控制

  • 缺點(diǎn): 昂貴、專(zhuān)業(yè)的制造要求

5. 陶瓷基板(Tg:不適用)

陶瓷基板,如氧化鋁 (Al2O3) 或氮化鋁 (AlN),沒(méi)有傳統(tǒng)的 Tg,因?yàn)樗鼈儾皇腔诰酆衔锏?。然而,它們具有出色的?dǎo)熱性(高達(dá) 170 W/m/K)和極端溫度下的穩(wěn)定性,使其適用于高功率或高頻應(yīng)用。

  • 應(yīng)用:LED 照明、電力電子、射頻模塊

  • 優(yōu)點(diǎn): 高導(dǎo)熱性、低介電常數(shù)

  • 缺點(diǎn): 脆性、成本高、靈活性有限

PCB 材料的 Tg 值

不同 PCB 材料的 Dk 值

 

基于 Tg 的襯底選擇的實(shí)際示例

為了說(shuō)明 Tg 如何影響襯底選擇,讓我們探索具有特定設(shè)計(jì)要求的三種真實(shí)場(chǎng)景:

示例 1:汽車(chē) ECU(發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元)

  • 要求:在高達(dá) 150°C 的溫度下在引擎蓋下運(yùn)行,需要無(wú)鉛焊接,并能承受熱循環(huán)。

  • 所選基材:高 Tg FR-4(Tg ~180°C,例如 Isola 370HR)

  • 原因:180°C 的 Tg 超過(guò)了工作溫度和焊接要求,而該材料的成本效益適合大批量生產(chǎn)。其 CTE (~14 ppm/°C) 可最大限度地減少熱循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)力。

示例 2:5G 基站天線(xiàn)

  • 要求:處理高達(dá) 6 GHz 的頻率,需要阻抗控制(50 歐姆),并在溫度高達(dá) 80°C 的室外環(huán)境中運(yùn)行。

  • 所選基材:Rogers RO4835 (Tg ~280°C, Dk ~3.5, Df ~0.0037)

  • 原因:高 Tg 可確保焊接和作過(guò)程中的穩(wěn)定性,而低 Dk 和 Df 支持高頻信號(hào)完整性?;宓谋⌒荆ɡ?0.254 mm)可實(shí)現(xiàn)精確的阻抗控制。

示例 3:柔性醫(yī)療可穿戴設(shè)備

  • 要求:用于可穿戴設(shè)備的柔性 PCB,在中等溫度 (~60°C) 下工作,并且需要生物相容性。

  • 所選基材:聚酰亞胺 (Tg ~300°C)

  • 原因:聚酰亞胺的高 Tg 確保了制造過(guò)程中的可靠性,其柔韌性使 PCB 能夠符合器件的形狀。其低吸濕性 (<1%) 增強(qiáng)了潮濕環(huán)境下的可靠性。

 

平衡 Tg 與其他襯底特性

雖然 Tg 是一個(gè)關(guān)鍵因素,但它并不是唯一的因素。工程師必須平衡 Tg 與其他襯底特性,以實(shí)現(xiàn)最佳性能:

  • 介電常數(shù) (Dk):較低的 Dk 值(例如 2.5 至 4.5)可以提高信號(hào)傳播速度,這對(duì)于高頻應(yīng)用至關(guān)重要。例如,在射頻設(shè)計(jì)中,Rogers RO4350B 的 Dk 為 ~3.5,優(yōu)于 FR-4 的 Dk 為 ~4.4。

  • 耗散因數(shù) (Df):較低的 Df(例如,0.002 至 0.025)可減少信號(hào)損失。聚酰亞胺 (Df ~0.003) 等高 Tg 材料是高速電路的首選。

  • 熱膨脹系數(shù) (CTE):基板層之間的匹配 CTE(例如,F(xiàn)R-4 為 14-17 ppm/°C)可最大限度地降低熱循環(huán)過(guò)程中的分層風(fēng)險(xiǎn)。

  • 導(dǎo)熱性:高導(dǎo)熱性(例如,AlN 為 170 W/m/K)對(duì)于電力電子設(shè)備的散熱至關(guān)重要。

通過(guò)與 Tg 一起評(píng)估這些特性,工程師可以選擇滿(mǎn)足所有設(shè)計(jì)要求的基板,而不會(huì)過(guò)度設(shè)計(jì)或增加成本。

 

如何支持您的 PCB 基板選擇

我們了解根據(jù) Tg 和其他特性選擇合適的 PCB 基板的復(fù)雜性。我們的快速原型制作服務(wù)使工程師能夠測(cè)試多種基板材料,例如高 Tg FR-4、聚酰亞胺或羅杰斯層壓板,以便在全面生產(chǎn)之前驗(yàn)證性能。憑借全球物流和與領(lǐng)先材料供應(yīng)商的合作伙伴關(guān)系,我們確保以具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格獲得高質(zhì)量的基材。我們先進(jìn)的制造能力,包括精確的阻抗控制和無(wú)鉛組裝,甚至支持從 5G 天線(xiàn)到汽車(chē) ECU 的最苛刻的應(yīng)用。


根據(jù) Tg 值選擇合適的 PCB 基板是設(shè)計(jì)可靠、高性能電子產(chǎn)品的關(guān)鍵步驟。通過(guò)了解 Tg 的熱、電和機(jī)械影響,工程師可以選擇符合其應(yīng)用要求的材料,如 FR-4、聚酰亞胺或羅杰斯層壓板。無(wú)論您是為消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、汽車(chē)系統(tǒng)還是高頻射頻電路進(jìn)行設(shè)計(jì),優(yōu)先考慮 Tg 以及 Dk、Df 和 CTE 等其他特性,都能確保最佳性能和使用壽命。