Beim Vergleich von Leiterplattenmaterialien taucht eine Angabe in fast jedem Datenblatt für Laminate auf –Glasübergangstemperatur, meist geschrieben als Tg.
Bei vielen Produkten mit geringem Leistungsbedarf wird der Tg-Wert möglicherweise nicht besonders beachtet. Sobald eine Leiterplatte jedoch höheren Löttemperaturen, anhaltender Hitze oder wiederholten Temperaturwechselzyklen ausgesetzt ist, wird der Tg-Wert zu einem wichtigen Faktor für die Langzeitzuverlässigkeit.
Wenn man weiß, wofür Tg steht – und wofür nicht –, kann man vermeiden, einen Werkstoff auszuwählen, der zwar im Labor gute Ergebnisse liefert, unter realen Betriebsbedingungen jedoch Probleme bereitet.
Was ist die Glasübergangstemperatur?
Die Glasübergangstemperatur ist der Punkt, an dem das Harz im Inneren eines Leiterplattenlaminats beginnt, von einem starren, glasartigen Zustand in einen weicheren und flexibleren Zustand überzugehen.
Diese Veränderung bedeutet nicht, dass das Material schmilzt. Vielmehr beginnen sich seine mechanischen Eigenschaften mit steigender Temperatur zu verändern.
Unterhalb des Tg-Wertes bleibt das Laminat relativ stabil. Oberhalb dieses Wertes wird die Ausdehnung deutlicher spürbar, und das Material reagiert empfindlicher auf mechanische Beanspruchung.
Falls Sie mit der Laminatbauweise nicht vertraut sind, Erläuterungen zum Leiterplattenlaminat für den Entwurf und die Herstellung von Leiterplatten bietet einen guten Einstieg in den Aufbau von Leiterplattenmaterialien.
Warum Tg wichtig ist
Eine Leiterplatte wird im Laufe ihrer Lebensdauer mehrmals Hitze ausgesetzt.
Beispiele hierfür sind:
- Bestückung durch Löten
- Nachbearbeitung und Reparatur
- Tägliche Betriebstemperaturen
- Wiederholtes Ein- und Ausschalten
Wenn die Temperaturen sich der Glasübergangstemperatur (Tg) des Laminats nähern oder diese überschreiten, nimmt die Dimensionsstabilität ab.
Dies kann sich auswirken auf:
- Zuverlässigkeit der Bohrlöcher
- Ausrichtung der Schichten
- Haltbarkeit der Lötstellen
- Langfristige mechanische Leistungsfähigkeit
Bei Produkten, die über Jahre hinweg in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden sollen, sollte die Tg nicht isoliert betrachtet werden, sondern im Zusammenhang mit anderen Materialeigenschaften.
Typische Tg-Bereiche
Leiterplattenlaminate werden häufig in drei Kategorien unterteilt.
| Material | Typische Tg |
|---|---|
| Standard FR4 | 130–140 °C |
| FR4 mit mittlerem Tg | 150–170 °C |
| Materialien mit hohem Tg-Wert | Über 170 °C |
Die tatsächlichen Werte variieren je nach Laminathersteller und Harzzusammensetzung.
Zur Überprüfung der Materialspezifikationen sollte stets das vom Laminathersteller bereitgestellte Datenblatt herangezogen werden.
Bedeutet ein höherer Tg-Wert immer eine bessere Leiterplatte?
Nicht unbedingt.
Eine höhere Tg verbessert zwar die thermische Stabilität, führt jedoch nicht automatisch zu einer Verbesserung aller Aspekte der Leiterplattenleistung.
Für viele kommerzielle Produkte ist Standard-FR4 nach wie vor eine praktische und wirtschaftliche Wahl.
Laminate mit höherer Tg gewinnen an Bedeutung, wenn die Leiterplatte folgenden Einflüssen ausgesetzt ist:
- Höhere Betriebstemperaturen
- Mehrere bleifreie Lötzyklen
- Große mehrschichtige Konstruktionen
- Dauerhafte thermische Beanspruchung
Die Wahl eines Materials mit einer höheren Tg als für die jeweilige Anwendung erforderlich ist, kann zu höheren Kosten führen, ohne dass dadurch ein nennenswerter Vorteil entsteht.
Materialien mit Tg und hoher Tg
Laminate mit hoher Glasübergangstemperatur (Tg) wurden für Anwendungen entwickelt, bei denen herkömmliches FR4 an seine thermischen Grenzen stoßen kann.
Sie werden häufig in folgenden Bereichen eingesetzt:
- Fahrzeugelektronik
- Industrielle Kontrollsysteme
- Leistungselektronik
- Kommunikationsmittel
- Mehrschichtige Leiterplatten mit hoher Bauteilbelegung
Wenn Sie Standard- und Hochtemperatur-Laminate miteinander vergleichen, FR4-Leiterplatte vs. FR4 mit hohem Tg erläutert die Unterschiede genauer.
Sie können auch nachschlagen unter Leiterplattenmaterial mit hoher Glasübergangstemperatur (Tg) für Hochtemperatur- und zuverlässige Leiterplattenanwendungen um einen umfassenderen Überblick darüber zu erhalten, wo diese Materialien in der Regel zum Einsatz kommen.
Tg und Leiterplattenfertigung
Tg wirkt sich auf verschiedene Fertigungsprozesse aus.
Kaschierung
Stabile Materialien tragen dazu bei, bei der Herstellung mehrschichtiger Strukturen eine präzise Schichtausrichtung zu gewährleisten.
Bohren
Werkstoffe mit ausreichender thermischer Stabilität verformen sich bei der Fertigung weniger leicht.
Montage
Die Löttemperaturen beim modernen bleifreien Löten sind deutlich höher als bei herkömmlichen Lötverfahren.
Die Auswahl eines Laminats mit einer geeigneten Tg trägt dazu bei, thermische Spannungen während der Montage zu reduzieren.
Tg ist nur eine Materialeigenschaft
Obwohl die Tg wichtig ist, sollte sie nicht der einzige Faktor sein, der bei der Materialauswahl berücksichtigt wird.
Zu den weiteren Materialeigenschaften gehören:
- Dielektrizitätskonstante (Dk)
- Dielektrischer Verlust (Df)
- Wärmeleitfähigkeit
- Feuchtigkeitsaufnahme
- Mechanische Festigkeit
Die gemeinsame Bewertung dieser Eigenschaften vermittelt ein umfassenderes Bild davon, wie sich ein Werkstoff im Einsatz verhalten wird.
Die Übersicht in In modernen Leiterplatten verwendete Leiterplattenmaterialien ist ein nützlicher Ausgangspunkt beim Vergleich verschiedener Laminatoptionen.
Häufige Missverständnisse
Ein weit verbreiteter Irrtum ist, dass Tg die maximale Betriebstemperatur einer Leiterplatte angibt.
Tatsächlich kann ein Laminat für kurze Zeiträume oberhalb seiner Tg betrieben werden, doch sein mechanisches Verhalten ändert sich mit steigender Temperatur.
Ein weiteres Missverständnis ist, dass alle FR4-Materialien dieselbe Tg aufweisen.
FR4 ist eher eine Materialklasse als ein einzelnes Produkt. Verschiedene Hersteller bieten Laminate mit unterschiedlichen Tg-Werten, Harzsystemen und Leistungseigenschaften an.
Der Artikel Was ist FR4-Leiterplattenmaterial? erklärt, warum FR4 ein breites Spektrum an Materialzusammensetzungen abdeckt.
So wählen Sie Leiterplattenmaterialien anhand der Tg aus
- Schritt 1
Ermitteln Sie die höchsten Betriebs- und Montagetemperaturen, denen die Leiterplatte ausgesetzt sein wird.
- Schritt 2
Prüfen Sie die Tg-Angaben des Laminatherstellers, anstatt sich auf allgemeine Werte zu verlassen.
- Schritt 3
Vergleichen Sie die Glasübergangstemperatur (Tg) mit den elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften.
- Schritt 4
Bestätigen Sie das ausgewählte Material vor Produktionsbeginn mit Ihrem Leiterplattenhersteller.
Schlussfolgerung
Die Glasübergangstemperatur ist ein wichtiger Indikator dafür, wie ein Leiterplattenlaminat auf Wärme reagiert.
Zwar bieten Materialien mit höherer Tg eine bessere thermische Stabilität, doch hängt die am besten geeignete Wahl von der jeweiligen Betriebsumgebung, dem Herstellungsprozess und den Produktanforderungen ab.
Die Auswahl von Leiterplattenmaterialien auf der Grundlage einer ausgewogenen Bewertung der Tg und anderer wichtiger Eigenschaften trägt dazu bei, die Zuverlässigkeit zu verbessern, ohne unnötige Herstellungskosten zu verursachen.
Häufig gestellte Fragen
A: Tg, also die Glasübergangstemperatur, ist die Temperatur, bei der das Harz in einem Leiterplattenlaminat beginnt, von einem starren in einen weicheren Zustand überzugehen.
A: Nein. Werkstoffe mit höherer Tg weisen zwar eine verbesserte thermische Stabilität auf, sind jedoch nicht für jede Anwendung erforderlich. Die Werkstoffauswahl sollte auf die Betriebsbedingungen des Produkts abgestimmt sein.
A: Die meisten handelsüblichen FR4-Laminate weisen eine Glasübergangstemperatur (Tg) zwischen etwa 130 °C und 140 °C auf, wobei der genaue Wert vom jeweiligen Hersteller abhängt.
A: Höhere Montagetemperaturen, insbesondere beim bleifreien Löten, belasten das Laminat thermisch stärker. Eine geeignete Glasübergangstemperatur (Tg) trägt dazu bei, dass die Leiterplatte während dieser Prozesse ihre mechanische Stabilität behält.
A: Die Tg sagt vor allem etwas über das mechanische und thermische Verhalten des Laminats aus. Die elektrischen Eigenschaften werden hingegen direkter von Parametern wie der Dielektrizitätskonstante (Dk) und dem dielektrischen Verlustfaktor (Df) beeinflusst.
