Auf vielen Fertigungszeichnungen steht im Materialfeld nur „FR-4, High-Tg". Der Leiterplattenhersteller kann diese Angabe mit mehreren Laminaten erfüllen. Alle haben eine hohe Tg, verhalten sich im bleifreien Reflow aber teils sehr unterschiedlich. Tg beantwortet nur eine Frage: Bei welcher Temperatur geht das Harz vom glasartigen in den gummielastischen Zustand über. Ob die Leiterplatte delaminiert oder die Kupferhülse reißt, entscheiden andere Kennwerte.
Die Reihenfolge der Basismaterialauswahl insgesamt beschreibt Basismaterial für Leiterplatten: die vier Filter. Dieser Beitrag vertieft nur den thermischen Filter: was jeder Kennwert misst, wie er geprüft wird und wie er in die Zeichnung gehört.
Thermische Kennwerte im Überblick
| Kennwert | Bedeutung | Übliche Prüfmethode | Hauptwirkung |
|---|---|---|---|
| Tg | Übergang des Harzes vom glasartigen in den gummielastischen Zustand | IPC-TM-650 2.4.25 (DSC) / 2.4.24 (TMA) / 2.4.24.4 (DMA) | Oberhalb Tg steigt die Z-Ausdehnung deutlich |
| Td | Zersetzungstemperatur des Harzes, meist bei 5 % Masseverlust | IPC-TM-650 2.4.24.6 (TGA) | Delamination und Blasen nach mehrfachem Reflow |
| α1 / α2 | Z-Achsen-CTE unterhalb / oberhalb Tg | IPC-TM-650 2.4.24 (TMA) | Zugdehnung der Kupferhülse |
| Z-Ausdehnung 50–260 °C | Gesamte Maßänderung von nahe Raumtemperatur bis Reflow-Peak (%) | IPC-TM-650 2.4.24 (TMA) | Kumulierte Hülsendehnung je Reflow |
| T260 / T288 | Zeit bis zur Delamination bei 260 °C / 288 °C | IPC-TM-650 2.4.24.1 (TMA) | Reserve gegen Delamination |
Für jeden dieser Kennwerte gibt es ein Feld im Laminatdatenblatt und in den Slash Sheets der IPC-4101. Wer nur Tg vorgibt, legt nur die erste Zeile fest.
Tg hängt von der Messmethode ab
Dasselbe Laminat liefert mit DSC, TMA und DMA unterschiedliche Tg-Werte. DSC erfasst die Änderung der Wärmekapazität, TMA den Knick der Ausdehnungskurve, DMA die Änderung des Moduls; DMA liest meist höher als die beiden anderen. Datenblätter nennen die Methode. Vor dem Vergleich zweier Datenblätter ist zu prüfen, ob dieselbe Methode verwendet wurde, sonst sind die Werte nicht vergleichbar.
Eine Tg-Untergrenze in der Zeichnung sollte die Methode mitnennen, etwa „Tg ≥ 170 °C (DSC, IPC-TM-650 2.4.25)". SKPCB definiert High-Tg-Material als Tg >170 °C.
Hohe Tg verhindert keine Delamination
Tg und Td beschreiben zwei verschiedene Vorgänge. Tg ist ein reversibler physikalischer Übergang; beim Abkühlen kehrt das Harz in den Glaszustand zurück. Td ist eine irreversible chemische Zersetzung. Das dabei entstehende Gas bildet Hohlräume zwischen den Lagen und an der Bohrlochwand, sichtbar als Delamination oder Blasen.
Klassisch mit Dicyandiamid (Dicy) gehärtete Systeme erreichen eine hohe Tg, ohne dass Td entsprechend steigt. Phenolisch gehärtete und gefüllte Systeme haben meist eine höhere Td und geringere Z-Ausdehnung und eignen sich besser für mehrfaches bleifreies Löten. Zwei Materialien mit Tg über 170 °C können nach drei bleifreien Durchläufen also ganz unterschiedlich aussehen. Das entscheiden Td und T260/T288, nicht Tg.
Z-Achsen-CTE und Hülsenermüdung
Kupfer dehnt sich deutlich weniger aus als Epoxid oberhalb Tg in Z-Richtung. Beim Erwärmen dehnt sich das Harz in Dickenrichtung und zieht die Kupferhülse mit. Oberhalb Tg gilt α2, die Ausdehnung beschleunigt sich. Der Reflow-Peak liegt bei etwa 260 °C und damit über der Tg jedes FR-4; jeder Reflow-Durchlauf geht also durch den α2-Bereich.
Die Wirkung auf die Hülse wächst mit der Leiterplattendicke. Dickere Platinen und kleinere Bohrungen konzentrieren die Dehnung; deshalb reagieren dicke Multilayer mit hoher Lagenzahl empfindlicher auf die Laminatwahl. Aspektverhältnis und Kupferverteilung in der Hülse behandelt Bohren und Metallisieren bei hoher Lagenzahl; das PTH-Aspektverhältnis bei SKPCB ist auf 10:1 begrenzt.
Für dicke Platinen und mehrfaches Reflow ist die Gesamt-Z-Ausdehnung 50–260 °C aussagekräftiger als α1 oder α2 allein: Sie ist genau die Maßänderung, der die Hülse in einem Reflow-Durchlauf folgen muss.
Wann High-Tg nötig ist
High-Tg zusammen mit den zugehörigen thermischen Kennwerten vorgeben, wenn:
- die Leiterplatte dick ist oder viele Lagen hat und die kumulierte Z-Dehnung der Hülse groß wird;
- die Bestückung mehrere bleifreie Reflow-Durchläufe braucht, etwa beidseitige Bestückung plus Nacharbeit;
- das Produkt dauerhaft bei erhöhter Temperatur arbeitet, nahe oder im Tg-Bereich von Standard-FR-4;
- der Lagenaufbau Dickkupferlagen oder große Kupferflächen enthält, die beim Verpressen und Löten innere Temperaturgradienten erzeugen. Die Harzfüllung beim Verpressen von Dickkupfer behandelt Dickkupfer-Verpressung und Harzfüllung.
Wann High-Tg nicht nötig ist
Dünne Leiterplatten mit wenigen Lagen, einem Reflow und moderater Einsatztemperatur kommen meist mit Standard-Tg aus. High-Tg-Laminate sind in der Regel härter und spröder, verschleißen Bohrer schneller und kosten mehr. Wer High-Tg ohne thermische Belastung vorschreibt, kauft Kosten, keine Zuverlässigkeit.
Geht es eigentlich um Delamination, sind direkte Vorgaben zu Td und T260/T288 zielführender als eine höhere Tg.
So gehört es in die Zeichnung
Um „High-Tg" in Abnahmekriterien zu übersetzen, eignet sich diese Struktur:
- Materialklasse: IPC-4101-Slash-Sheet-Nummer angeben oder „Lieferant reicht Laminatdatenblatt zur Freigabe durch den Entwickler ein".
- Tg: Untergrenze plus Prüfmethode, z. B. „Tg ≥ 170 °C (DSC)".
- Td: Untergrenze plus Prüfmethode (TGA, 5 % Masseverlust).
- Z-Ausdehnung: Obergrenze der Gesamtausdehnung 50–260 °C oder Obergrenzen für α1/α2.
- Zeit bis Delamination: Untergrenze T260 oder T288, gewählt nach Reflow-Anzahl und Dicke.
- Ersatzregel: Jedes Alternativlaminat muss alle obigen Punkte erfüllen und schriftlich bestätigt werden.
UL-Anerkennung setzt eigene Grenzen für Material und Dicke; siehe UL-Materialanerkennung als Eingabe für den Lagenaufbau. Multilayer-Fähigkeiten und verfügbare Laminate finden Sie unter Multilayer-Leiterplatte und Materialien. Für eine Laminatprüfung zu einem konkreten Lagenaufbau reichen Sie die Daten über Angebot ein.
Zusammenfassung
Tg begrenzt nur die Erweichungstemperatur des Harzes. Delamination im bleifreien Reflow hängt von Td und T260/T288 ab, Hülsenermüdung von der Z-Ausdehnung. Steht „High-Tg" in der Zeichnung, gehören diese Kennwerte mit Prüfmethode als Unter- oder Obergrenzen dazu, damit jedes Ersatzlaminat eine Abnahmebasis hat.
FAQ
F: Was ist der Unterschied zwischen Tg und Td?
A: Tg ist die reversible Erweichungstemperatur des Harzes. Td ist die Temperatur, bei der sich das Harz zu zersetzen beginnt; die Zersetzung ist irreversibel und führt zu Delamination oder Blasen.
F: Warum hat dasselbe Laminat mehrere Tg-Werte?
A: DSC, TMA und DMA messen unterschiedliche physikalische Änderungen und liefern unterschiedliche Werte. Vergleichen Sie Tg nur bei gleicher Methode.
F: Übersteht ein Material mit Tg 170 °C immer bleifreies Reflow?
A: Nicht unbedingt. Der Reflow-Peak liegt über Tg. Die Delaminationsbeständigkeit hängt vor allem von Td und T260/T288 ab, die Hülsenzuverlässigkeit von der Z-Ausdehnung.
F: Warum beeinflusst die Z-Achsen-CTE die Durchkontaktierung?
A: Das Harz dehnt sich in Dickenrichtung weit stärker aus als Kupfer; beim Erwärmen wird die Hülse gedehnt. Je dicker die Leiterplatte, desto größer die kumulierte Dehnung.
F: Sollte jede Multilayer-Leiterplatte High-Tg-Material verwenden?
A: Nein. Dünne Platinen mit einem Reflow und moderater Einsatztemperatur kommen meist mit Standard-Tg aus. High-Tg-Laminate sind härter und in der Bearbeitung teurer.
F: Wie definiert SKPCB High-Tg-Material?
A: Die hinterlegte Definition ist Tg >170 °C; High-CTI-Material ist CTI >600 V. Das konkrete Laminat wird in der Lagenaufbau-Prüfung bestätigt.