Für Leiterplatten welche hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, gilt es rechtzeitig die benötigte Dauerbertriebstemperatur (eng. MOT = „Maximum Operating Temperature“) festzulegen um somit ein geeignetes Material zu bestimmen.
Die Dauerbetriebstemperatur bezeichnet die Temperatur, bei der eine Leiterplatte kontinuierlich betrieben werden kann, ohne Schaden zu nehmen. Der Tg-Wert / Td-Wert des Basismaterials kann hierfür als Referenz verwendet werden.
Details haben wir im Folgenden für Sie zusammengefasst.
Tg-Wert
Die Glasübergangstemperatur (Tg) ist eine wichtige Kenngröße des Basismaterials, welche anzeigt, ab welcher Temperatur die Harzmatrix vom glasartigen, spröden Zustand in den weichelastischen übergeht.
Der Tg-Wert des Basismaterials gibt hierbei einen oberen Grenzwert vor, bei dem sich die Harzmatrix zersetzt und es folglich zur Delamination kommt. Der Tg ist daher nicht der Wert der maximalen Einsatztemperatur, sondern kann nur sehr kurz vom Material bestanden werden.
Als Richtwert für eine dauerhafte thermische Belastung gilt: Einsatztemperatur ca. 25°C unter dem Tg.
Wenn die Glasübergangstemperatur Tg bei 170°C und darüber liegt, spricht man von Hoch-Tg-Material.
Hoch-Tg-Materialien haben folgende Eigenschaften:
- hoher Glasfließtemperaturwert (Tg)
- hohe Temperaturbeständigkeit
- lange Delaminationsbeständigkeit
- geringe z-Achsenausdehnung (CTE-z)
Material für Hoch-Tg Leiterplatten (Auswahl)
| Material für Hoch-Tg Leiterplatten | Tg | CTE-z (T<Tg) | εr, Dk- Permittivity | Spannungs- festigkeit | Oberflächen- widerstand | CTI | Kriechstrom- festigkeit | Thermische Leitfähigkeit | Td-Wert | Cu-Haftung |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| °C | ppm/°C | @1GHz | KV/mm | MO | PLC | Volt | W/m*K | °C | N/mm | |
| ISOLA IS410 FR4 HTg, CAF-Enhanced | 180° | 55 | 4,0 | 44 | 8,0 x 10^6 | 3 | 175V - 249V | 0,5 | 350° | 1,2 |
| ISOLA IS420 FR4 HTg, CAF-Enhanced | 170° | 45 | 4,0 | 54 | 3,0 x 10^6 | 3 | 175V - 249V | 0,4 | 350° | 1,3 |
| ISOLA 370HR FR4 HTg, CAF-Enhanced | 180° | 45 | 4,2 | 54 | 3,0 x 10^6 | 3 | 175V - 249V | 0,4 | 340° | 1,3 |
| ITEQ IT-180A FR4 HTg | 175° | 45 | 4,4 | 45 | 3,0 x 10^10 | - | - | - | 345° | 1,4 |
| Shengyi S1000-2 FR4 HTg | 180° | 45 | 4,8* | 63 | 7,9 x 10^7 | 3 | 175V - 249V | - | 345° | 1,4 |
| ARLON 85N Polyimid HTg | 250° | 55 | 4,20* | 57 | 1,6 x 10^9 | - | - | 0,2 | 387° | 1,2 |
CAF - Conductive Anodic Filament: unerwünschter leitfähiger Faden im Substrat einer Leiterplatte
CTE-z
Der CTE-Wert gibt die thermische Ausdehnung des Basismaterials an. CTE-z steht für die z-Achse und ist z.B. aufgrund der Stabilität der Durchkontaktierungen von Bedeutung. Ein höherer Tg-Wert begünstigt einen geringen CTE-z Wert, welcher die absolute Ausdehnung in der z-Achse repräsentiert.
Die Ausdehnung von PCB-Materialien erfolgt volumetrisch bei Temperaturerhöhung, wobei der Laminataufbau so gestaltet ist, dass die Ausdehnung in der x-y-Ebene und entlang der z-Achse deutlich unterschiedlich ausfällt.
Das im Laminat enthaltene restriktive Glasgewebe verhindert eine isotrope Ausdehnung des Harzes (gleichmäßige Ausdehnung in alle Richtungen), sodass die Ausdehnung in x- und y-Richtung deutlich geringer ausfällt als in z-Richtung.
Fehler wie Pad Lifting, Corner Cracks und Hülsenriß innerhalb der Durchkontaktierung können durch einen geringen CTE-z Wert verhindert werden.
T260- T288-Wert, Td
Ein sehr wichtiger Indikator für die Wärmebeständigkeit ist die Delaminationszeit bei einer bestimmten Temperatur. Getestet wird diese vorzugsweise bei 260 °C oder 288 °C. Der T260- oder T288-Wert gibt die Zeit bis zur Delamination bei 260°C bzw. 288°C an.
Td: Zersetzungstemperatur gibt die Temperatur an, bei der das Basismaterial 5% Gewicht verloren hat und ist eine wichtige Kenngröße für die Thermostabilität eines Basismaterials. Bei Überschreitung dieser Temperatur tritt eine nicht umkehrbare Zersetzung und Schädigung des Materials durch den Zerfall der chemischen Verbindung ein.
Hoch-Tg-Leiterplatten FAQ
Der Tg-Wert (Glasübergangstemperatur) ist die Temperatur, bei der das Basismaterial vom glasartig-spröden in einen weichelastischen Zustand übergeht. Ab einem Tg von 170 °C spricht man von Hoch-Tg-Material. Dieser Wert liegt deutlich über dem von Standard-FR4 (ca. 130–140 °C).
Nein. Der Tg-Wert ist keine dauerhaft zulässige Einsatztemperatur. Überschreitet man ihn, zersetzt sich die Harzmatrix, und es kann zur Delamination kommen. Als Richtwert für den Dauerbetrieb gilt: Einsatztemperatur ca. 25 °C unterhalb des Tg-Wertes. Bei Tg 170 °C sind das also maximal ca. 145 °C Dauerbetriebstemperatur.
Der CTE-z-Wert beschreibt die Wärmeausdehnung in der Dicke (z-Achse). Ein niedriger CTE-z-Wert - wie bei Hoch-Tg Leiterplatten üblich - ist entscheidend für die Zuverlässigkeit der Durchkontaktierungen unter thermischer Belastung. Er verhindert typische Fehler wie Pad Lifting (Abheben der Kontaktflächen), Hülsenrisse in den Vias und Corner Cracks (Risse an Ecken) – besonders bei wiederholten Temperaturwechseln.
Ja, indirekt. CAF (Conductive Anodic Filament) bezeichnet das unerwünschte Wachstum leitfähiger Filamente entlang von Glasfasern. Viele Hoch-Tg-Materialien (wie ISOLA IS410 oder 370HR) sind explizit CAF-enhanced, widerstehen also diesem Effekt besser. Das ist besonders wichtig bei feinen Strukturen und hoher Luftfeuchtigkeit unter Spannung.
Ein Hoch-Tg-Material ist immer dann erforderlich, wenn Ihre Leiterplatte im Betrieb oder während der Fertigung wiederholt hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Typische Anzeichen sind: Umgebungstemperaturen über 120°C dauerhaft, bleifreie Lötprozesse mit hohen Spitzentemperaturen oder Anwendungen mit starken Temperaturwechseln (z. B. in der Automobilelektronik oder Leistungselektronik). Bei Unsicherheit hilft eine frühzeitige Abstimmung mit unserem CAM-Team.