High Tg FR4 это огнестойкий подложка из эпоксидной смолы, армированная стекловолокном, с температурой стеклования (Tg) ≥170 °C. Она служит широко используемым высокотемпературным базовым материалом для печатных плат, с оптимизированными составами смолы, повышающими термостойкость и стабильность, чтобы обеспечить возможность бессвинцовой пайки и работу в условиях высоких температур.
Tg (температура стеклования) является важным показателем характеристик подложек FR4, обозначающим критическую температуру, при которой эпоксидная смола переходит из жесткого «стеклянного состояния» в гибкое «высокоэластичное состояние». Когда рабочая температура FR4 превышает Tg, механические свойства и изоляционные характеристики подложки резко ухудшаются; при температуре ниже Tg она сохраняет стабильные рабочие характеристики.
Обычная FR4 обычно имеет Tg в диапазоне 130–140 °C, тогда как high Tg FR4 обычно достигает ≥170 °C, а премиальные варианты превышают 200 °C. Основное различие заключается в составе эпоксидной смолы: в обычной FR4 используется стандартная эпоксидная смола на основе бисфенола А с относительно простыми молекулярными цепями и ограниченной термостойкостью; В high Tg FR4 преимущественно используются модифицированные эпоксидные смолы (такие как фенол-эпоксидная или бифенил-эпоксидная), которые повышают температуру термического разложения и термическую стабильность подложки за счет оптимизации плотности сшивки молекулярных цепей. Кроме того, FR4 с высокой температурой стеклования предъявляет более строгие требования к выбору стеклоткани и процессам ламинирования. Обычно в нем используются стеклоткани высокой чистоты и технологии ламинирования при высокой температуре и высоком давлении, чтобы обеспечить плотную структуру подложки без пустот, что еще больше повышает термическую стабильность и механическую прочность.
С точки зрения показателей производительности, high TG FR4 демонстрирует значительные улучшения по сравнению с обычным FR4 в тепловых, механических и изоляционных свойствах: его температура теплового изгиба превышает температуру обычного FR4 на 30–50 °C, а скорость тепловой потери веса при 180 °C составляет менее 2 % (по сравнению с более 5 % для обычного FR4); Его прочность на изгиб сохраняет более 80% значений при комнатной температуре при повышенных температурах (150 °C), в то время как обычный FR4 сохраняет только 50%; в условиях влажной жары (150 °C, 85% относительной влажности) FR4 с высокой температурой стеклования демонстрирует сопротивление изоляции, в 10-100 раз превышающее сопротивление обычного FR4, что свидетельствует о превосходной стабильности изоляции. Именно эти преимущества в характеристиках требуются для применения в высокомощных системах.
Почему для высокомощных приложений необходимо high TG FR4 температурой стеклования?
1.Устойчивость к длительному воздействию высоких температур для предотвращения тепловой деформации и расслоения подложки
Основные компоненты высокомощного электронного оборудования (такие как IGBT, силовые MOSFET и выпрямительные мосты) генерируют значительное количество тепла во время работы. Даже при наличии систем охлаждения долгосрочная рабочая температура подложек печатных плат может достигать 150–180 °C. Обычный FR4 имеет температуру стеклования (Tg) всего 130–140 °C. При достижении этого порога материал переходит в высокоэластичное состояние, проявляя выраженную термическую деформацию (значительное увеличение коэффициента теплового расширения, CTE). Это приводит к растяжению дорожек печатной платы и растрескиванию паяных соединений. Что еще более важно, повышенные температуры снижают прочность межфазного сцепления между эпоксидной смолой и стекловолоконной тканью, что приводит к расслоению, образованию пузырей и даже отслоению медной фольги, что напрямую вызывает короткое замыкание оборудования.
High TG FR4 имеет значение Tg ≥170 °C, а верхний предел рабочей температуры значительно превышает показатели традиционного FR4. Он сохраняет стеклообразное состояние при постоянной температуре 150–180 °C, контролируя тепловую деформацию в пределах 0,2 %, что значительно ниже, чем 1,5 %, характерные для стандартного FR4. Одновременно более высокая плотность сшивки молекулярных цепей эпоксидной смолы в high TG FR4 стеклования обеспечивает более прочное межфазное сцепление со стекловолоконной тканью, сводя к минимуму отслоение и образование пузырей при повышенных температурах. Экспериментальные данные показывают, что после 1000 часов непрерывных испытаний при 180 °C подложки FR4 с высокой температурой стеклования не показали значительного отслоения, в то время как обычный FR4 продемонстрировал выраженное образование пузырей и отделение уже через 200 часов.
2.Устойчивость к мгновенным тепловым ударам для обеспечения структурной стабильности
В высокомощных приложениях циклы запуска-остановки оборудования и резкие изменения нагрузки (например, ускорение в новых энергетических транспортных средствах, аварийные остановки в промышленном оборудовании) подвергают подложки печатных плат мгновенным тепловым ударам. Температура поднимается с уровня окружающей среды до более 180 °C в течение от нескольких секунд до десятков секунд, а затем быстро снижается. Такие резкие колебания температуры создают огромные термические нагрузки на подложку печатной платы, проверяя ее механическую прочность и сопротивление усталости.
Обычный FR4 демонстрирует значительную хрупкость. При мгновенном термическом ударе термические нагрузки концентрируются во внутренних пустотах или дефектах интерфейса внутри подложки, легко вызывая микротрещины. Повторные термические удары с течением времени приводят к распространению этих микротрещин, что в конечном итоге приводит к разрушению печатных плат. Высокотемпературный FR4 использует модифицированную эпоксидную смолу с повышенной прочностью и усталостной стойкостью. Одновременно оптимизированные процессы ламинирования снижают внутреннюю пористость (≤1%), уменьшая риск концентрации термических напряжений. В испытаниях на циклический тепловой удар в диапазоне температур от -40 °C до 180 °C высокотемпературный FR4 не продемонстрировал трещин после 500 циклов с сохранением механической прочности ≥90 %. В отличие от этого, обычный FR4 продемонстрировал видимые трещины уже после 100 циклов, а его механическая прочность снизилась более чем на 40 %.
3.Поддержание высоких теплоизоляционных характеристик для снижения рисков электробезопасности
В высокомощных приложениях подложки печатных плат должны выдерживать не только повышенные температуры, но и высокие напряжения и значительные токи. Стабильность изоляционных свойств напрямую влияет на электробезопасность оборудования. Высокие температуры ускоряют старение и деградацию эпоксидных смол, приводя к образованию низкомолекулярных веществ. Одновременно они снижают сопротивление изоляции подложки и увеличивают токи утечки. В тяжелых случаях это может привести к пробою изоляции и вызвать инциденты, связанные с безопасностью.
Модифицированная эпоксидная смола, используемая в FR4 с высокой температурой перехода, обладает превосходной стойкостью к старению, а скорость деградации в условиях высоких температур значительно ниже, чем у обычного FR4. В условиях влажной жары 150 °C и относительной влажности 85 % FR4 с высокой температурой перехода достигает сопротивления изоляции более 10¹² Ом·см и тока утечки ≤10 мкА. После 1000 часов старения скорость снижения сопротивления изоляции остается ≤10 %. Напротив, обычный FR4 демонстрирует сопротивление изоляции всего 10⁹ Ом·см в идентичных условиях, с током утечки ≥50 мкА. После 200 часов его деградация сопротивления изоляции превышает 50%. Кроме того, FR4 с высокой температурой стеклования демонстрирует превосходную дугостойкость, достигая стойкости к дуге более 180 секунд. Это обеспечивает эффективную защиту от переходных перенапряжений в сценариях высокой мощности, тем самым снижая риск пробоя изоляции.
Области применения FR4 с высокой температурой перехода
1.Сектор новых энергетических транспортных средств (инверторы, OBC, PDU)
Инвертор служит основным силовым модулем в новых энергетических транспортных средствах, преобразуя постоянный ток аккумулятора в переменный ток для привода двигателя. Рабочая мощность может достигать десятков киловатт или даже сотен киловатт, при этом внутренняя подложка печатной платы выдерживает длительные рабочие температуры 150-180 °C, сталкиваясь с мгновенными тепловыми ударами во время циклов запуска-остановки. Бортовые зарядные устройства (OBC) и блоки распределения питания (PDU) сталкиваются с аналогичными сценариями высоких температур. High Tg FR4 перехода сохраняет стабильную производительность в этих условиях, предотвращая отказы печатных плат, вызванные повышенными температурами, и обеспечивая эксплуатационную безопасность автомобилей на новых источниках энергии. В настоящее время ведущие производители (такие как Tesla, BYD и CATL) используют подложки FR4 с высокой температурой перехода для печатных плат своих силовых модулей.
1.Промышленные системы управления и силовая электроника (инверторы, сервоприводы, выпрямители)
Промышленные инверторы, сервоприводы и аналогичное оборудование управляют двигателями высокой мощности. Во время работы силовые устройства генерируют значительное количество тепла, при этом подложки печатных плат обычно работают при температурах от 140 до 160 °C. Выпрямители должны выполнять преобразование переменного тока в постоянный в условиях высокого напряжения, высокого тока и высокой температуры, что требует от печатных плат исключительных изоляционных свойств и термостойкости.High Tg FR4 перехода эффективно выдерживает высокие температуры и тепловые удары в таких сценариях, обеспечивая непрерывную и стабильную работу промышленного оборудования и сводя к минимуму перерывы в производстве, вызванные отказами печатных плат.
2.Высокочастотные коммуникации и применения в области хранения энергии (усилители мощности базовых станций 5G, инверторы для хранения энергии)
Усилители мощности (PA) в базовых станциях 5G работают при значительно повышенных уровнях мощности для достижения высокой пропускной способности и скорости передачи данных, при этом температура внутренних подложек печатных плат превышает 150 °C. Инверторы накопителей энергии преобразуют постоянный ток от аккумуляторных батарей в переменный ток для интеграции в сеть, сталкиваясь с двойной проблемой высокой мощности, высокого напряжения и переходных тепловых ударов во время работы. FR4 с высокой температурой перехода не только отвечает требованиям этих приложений к повышенной температуре, но и обладает превосходными диэлектрическими свойствами (низким коэффициентом диэлектрических потерь Df), сводя к минимуму затухание высокочастотных сигналов и соответствуя требованиям высокочастотной связи 5G.
Ключевые параметры и факторы, которые нужно учитывать при выборе high Tg FR4
Ключевые параметры
Во-первых, точное соответствие значения Tg: выберите соответствующее значение Tg на основе долгосрочной рабочей температуры печатной платы. Рекомендуется, чтобы значение Tg было на 20-30 °C выше долгосрочной рабочей температуры (например, для долгосрочной рабочей температуры 150 °C выберите продукт с Tg ≥ 180 °C). При наличии переходных тепловых ударов дополнительно увеличьте запас значения Tg (например, для переходной температуры 200 °C выберите продукт с Tg ≥ 200 °C). Во-вторых, параметры тепловых характеристик: контролируйте температуру теплового отклонения (HDT), коэффициент теплового расширения (CTE) и скорость тепловой потери веса, чтобы обеспечить термическую стабильность подложки при повышенных температурах. В-третьих, параметры изоляционных характеристик: оцените сопротивление изоляции, дуговое сопротивление и диэлектрические потери, чтобы соответствовать требованиям высоковольтных и высокочастотных применений. В-четвертых, параметры механических характеристик: оцените прочность на изгиб и ударопрочность, чтобы выдерживать тепловые нагрузки от переходных тепловых ударов.
Важные моменты
Избегайте ошибочного мнения, что «более высокие значения Tg всегда лучше»: чрезмерно высокие значения Tg значительно увеличивают стоимость подложки (FR4 с высоким Tg ≥ 200 °C стоит в 1,5–2 раза дороже, чем обычный FR4 с высоким Tg) и снижают прочность подложки. Для применений с более низкими температурными требованиями достаточно выбрать подходящее значение Tg — нет необходимости слепо стремиться к высокому Tg. Кроме того, выбирайте продукты от известных производителей, чтобы гарантировать точность заявленных значений Tg (некоторые недорогие продукты завышают значения Tg). Запрашивайте у поставщиков отчеты о тестировании третьей стороной (например, сертификаты SGS, UL). Кроме того, FR4 с высоким Tg требует более строгих параметров обработки (например, температура ламинирования, время отверждения). Заранее согласуйте с производителями печатных плат, чтобы обеспечить соответствие технологий обработки характеристикам подложки.
Часто задаваемые вопросы
В1: Означает ли более высокое значение Tg в FR4 с высоким Tg превосходную производительность?
A1: Не обязательно. Более высокое значение Tg указывает на лучшую термостойкость, но одновременно увеличивает стоимость подложки и снижает прочность. Основным принципом выбора является «пригодность для применения». Просто убедитесь, что значение Tg превышает долгосрочную рабочую температуру печатной платы на 20-30 °C. Слепое стремление к чрезмерно высоким значениям Tg увеличивает затраты и может ухудшить характеристики обработки печатной платы (например, растрескивание при сверлении).
В2: Можно ли адаптировать обычный FR4 для сценариев с высокой мощностью путем тепловой оптимизации?
О2: Это очень сложно. Термическая оптимизация может только снизить температуру поверхности печатной платы, но не может изменить присущие субстрату пределы термической стабильности. В высокомощных приложениях внутренняя температура печатной платы может значительно превышать температуру поверхности. Обычный FR4 имеет относительно низкое значение Tg; даже если температура поверхности поддерживается ниже 130 °C, внутренняя температура все равно может превысить порог Tg, вызывая деформацию и расслоение субстрата. В высокомощных сценариях необходимо полагаться на внутреннюю термическую стабильность FR4 с высоким Tg, а термическая оптимизация должна служить только в качестве дополнительной меры.
В3: Существует ли значительная разница в стоимости между FR4 с высокой температурой стеклования и обычным FR4?
A3: Разница значительная. FR4 с высокой температурой стеклования (Tg ≥ 170 °C) стоит на 30–50 % дороже, чем обычный FR4; высококачественный FR4 с высокой температурой стеклования (Tg ≥ 200 °C) стоит в 1,5–2 раза дороже, чем обычный FR4. Это различие в стоимости в первую очередь обусловлено затратами на сырье, такое как модифицированные эпоксидные смолы и стекловолокно высокой чистоты, а также увеличением затрат, связанных с более строгими процессами ламинирования.
В4: Как можно проверить, соответствует ли значение Tg высокотемпературного FR4 техническим характеристикам?
A4: Для проверки можно использовать профессиональные методы тестирования, в том числе дифференциальную сканирующую калориметрию (DSC) и термомеханический анализ (TMA). Рекомендуется запрашивать у поставщиков отчеты о тестировании третьей стороной (например, отчеты о сертификации SGS или UL) или отправлять образцы в профессиональные испытательные учреждения для проверки. Кроме того, дополнительную проверку можно провести с помощью испытаний на старение при высокой температуре: подвергните печатную плату непрерывному старению при температуре на 10 °C ниже заявленного значения Tg в течение 1000 часов. Отсутствие расслоения или деформации указывает на то, что значение Tg в основном соответствует требованиям.
В5: Чем отличается обработка FR4 с высоким Tg от обработки обычного FR4?
A5: FR4 с высоким Tg требует более строгих параметров обработки. Температура ламинирования должна быть повышена до 180–220 °C (по сравнению с 150–160 °C для стандартного FR4), с увеличенным временем отверждения (обычно на 30–50 % дольше). При сверлении необходимо использовать более острые сверла и снизить скорость сверления, чтобы предотвратить появление неровных стенок отверстий или трещин, вызванных изменениями прочности подложки. При пайке температура оплавления может быть умеренно повышена, но должна оставаться ниже значения Tg, чтобы избежать деформации подложки.
В6: Какие вспомогательные конструкции требуются для высокомощных приложений, помимо выбора high Tg FR4 ?
A6: Оптимизируйте управление тепловым режимом, компоновку схемы и процессы упаковки. Для теплового проектирования используйте теплоотводящие переходные отверстия, большие медные плоскости и радиаторы вместе с теплораспределителями или вентиляторами для повышения эффективности охлаждения. При компоновке схемы предотвращайте чрезмерную концентрацию силовых компонентов, чтобы минимизировать локальные горячие точки. Для упаковки выбирайте компоненты и паяльные материалы, устойчивые к высоким температурам, чтобы обеспечить тепловую совместимость всей системы печатной платы.
Термические проблемы, присущие высокомощным приложениям, делают обычный FR4 непригодным для надежной работы.High Tg FR4 перехода, обладающий превосходной термической стабильностью, механической прочностью и изоляционными свойствами, становится незаменимым решением для таких сценариев. От новых энергетических транспортных средств до промышленных систем управления, от 5G-связи до систем хранения энергии FR4 с высокой температурой перехода повсеместно используется, создавая прочную основу безопасности для высокомощного электронного оборудования.
