Co oznacza parametr Tg?
Materiał FR4 jest jednym z najczęściej stosowanych podłoży w produkcji obwodów
drukowanych. Jest on zbudowany z kilku warstw tkaniny z włókna szklanego zatopionego w żywicy
epoksydowej. Żywica ta pełni rolę kleju zespalającego materiał, zaś włókno szklane jest
meteriałem wzmacniającym.
Żywica będąca spoiwem, ma jeden bardzo ważny parametr: temperaturę zeszklenia,
oznaczaną skrótem
Tg (
ang. glass transition temperature). Temperatura ta określa punkt
przejścia ze stanu stosunkowo sztywnego (szklistego) do stanu miękkiego - elastycznego.
Materiał FR4
Jeśli temperatura materiału jest niższa niż próg Tg,
materiał pozostaje twardym ciałem stałym. Pod wpływem siły zewnętrznej następuje pewne odkształcenie,
ale jest to odkształcenie odwracalne, to znaczy, że po zaniku siły zewnętrznej odkształcenie również
znika. Gdy temperatura żywicy przekroczy Tg, łańcuchy molekularne w stanie amorficznym zaczynają się
poruszać, a żywica przechodzi w stan elastyczny. Żywica w tym stanie jest podobna do elastomeru. Gdy
temperatura przekroczy wartość Tg, materiał FR4 stopniowo staje się miękki. Po obniżeniu temperatury
poniżej wartości Tg żywica powróci do tego samego stanu sztywności co przedtem.
Typowe wartości parametru Tg
Zazwyczaj zaleca się ustalenie wartości Tg wyższej niż temperatura robocza. Na przykład,
jeśli temperatura robocza podłoża PCB FR-4 wynosi 110°C, to wartość Tg powinna być co najmniej o
20ºC-30ºC wyższa.
Materiały, względem parametru Tg, dzielimy na trzy grupy:
- Standardowa temperatura Tg dla płytek PCB FR-4 wynosi 130°C-140°C
- Średnia temperatura Tg płytek PCB FR-4 wynosi 150°C-160°C
- Wysoka temperatura Tg PCB FR-4 wynosi ponad 170°C
Zalety i wady obwodów drukowanych FR4 o wysokim Tg
Główną wadą płytek o wysokiej temperaturze zeszklenia są wysokie ceny. Takie płytki PCB
są znacznie droższe od zwykłych płytek PCB o standardowej temperaturze zeszklenia (Tg = 130°C).
Zalety materiałów o wysokim Tg:
- Lepsza stabilność termiczna: Materiały o wysokim Tg mogą pracować w wyższych temperaturach
bez utraty swoich właściwości mechanicznych i elektrycznych, co jest szczególnie ważne w
aplikacjach o wysokim natężeniu ciepła.
- Zwiększona odporność na odkształcenia: Wyższa Tg oznacza, że materiał jest mniej podatny na
odkształcenia termiczne, co jest kluczowe dla zachowania precyzyjnych wymiarów i kształtów
w trudnych warunkach temperaturowych.
- Lepsza wydajność w aplikacjach wysokiej częstotliwości: Wysoka Tg zapewnia lepsze właściwości
dielektryczne w wyższych częstotliwościach, co jest ważne dla nowoczesnych aplikacji
komunikacyjnych.
- Większa odporność na cykle cieplne: Materiały te lepiej znoszą wielokrotne cykle ogrzewania
i chłodzenia, co jest ważne w procesach produkcyjnych, takich jak lutowanie reflow, gdzie
płyty PCB są wielokrotnie podgrzewane i chłodzone.
- Niższa absorpcja wody: Materiały o wyższej Tg zazwyczaj mają gęstszą i bardziej usieciowaną
strukturę polimerową, co ogranicza zdolność wody do wnikania w materiał.
Podsumowując, Tg jest kluczowym parametrem w opisie materiału FR4, wpływającym na jego
zastosowanie w warunkach wysokotemperaturowych i mającym bezpośredni wpływ na trwałość oraz wydajność
końcowego produktu.