PCB de alta Tg (Soluções de PCB para altas temperaturas)

À medida que os produtos eletrônicos se tornam menores, mais funcionais e mais potentes, o calor que geram também aumenta, e seus ambientes de trabalho se tornam mais complexos e extremos do que antes. As placas de circuito impresso (PCBs) padrão suportam apenas uma faixa limitada de temperaturas. Quando esses limites são ultrapassados, a placa pode deformar, seu desempenho pode diminuir e ela pode até mesmo falhar completamente. Portanto, nesses casos, é essencial utilizar uma PCB de alta Tg ou uma PCB para altas temperaturas.

A principal vantagem de uma placa de circuito impresso (PCB) com alta Tg reside no fato de utilizar materiais com um valor de Tg mais elevado, ou seja, uma temperatura de transição vítrea mais alta. Portanto, ela consegue manter a estabilidade estrutural mesmo em condições de alta temperatura, não sendo propensa a deformações, delaminação ou degradação de desempenho.

Este artigo irá orientá-lo sobre o que é Tg em placas de circuito impresso, por que cada vez mais indústrias estão optando por materiais FR4 com alta Tg e como selecionar a classificação de temperatura FR4 adequada para o seu projeto.

O que é Tg em PCB?

A temperatura de transição vítrea (Tg) refere-se à temperatura na qual o material do substrato de uma placa de circuito impresso (como o FR4) passa de um estado vítreo e rígido para um estado macio e elástico. Ou seja, quando a temperatura se aproxima ou ultrapassa esse ponto, o material começa a amolecer e sua resistência diminui. Por exemplo, "Tg130" indica que a temperatura de transição vítrea (Tg) da placa de circuito impresso é de 130 °C.

A temperatura de transição vítrea (Tg) do FR4 define a temperatura que o material FR4 pode suportar antes de começar a perder sua resistência estrutural. Enquanto a temperatura estiver abaixo da faixa de Tg especificada para a placa de circuito impresso (PCB), a placa permanece basicamente estável. No entanto, uma vez ultrapassada essa faixa, diversos problemas podem ocorrer, como expansão ou empenamento da PCB, separação de camadas (delaminação), trincas em vias ou furos metalizados (PTH), perda de desempenho elétrico ou distorção de sinal.

Em termos simples, o valor de Tg não representa a temperatura máxima que uma placa de circuito impresso (PCB) pode suportar, mas sim o ponto crítico em que o material perde sua rigidez. Para garantir a confiabilidade, a temperatura de operação da PCB deve ser preferencialmente de 20 a 25 °C inferior ao valor de Tg.

O que é uma placa de circuito impresso de alta Tg?

Uma placa de circuito impresso (PCB) de alta Tg refere-se a uma placa de circuito impresso cujo material base possui uma temperatura de transição vítrea (valor Tg) de 170°C ou superior.

Para efeito de comparação: a Tg de uma placa FR4 padrão é geralmente de 130-140°C, e a Tg média costuma ser em torno de 150°C. Quando a Tg ultrapassa 170°C, ela é classificada como uma placa de circuito impresso de alta temperatura ou uma placa de circuito impresso de alta Tg.

Quando as placas de circuito impresso operam em ambientes de alta potência ou alta temperatura, ou durante a soldagem por refluxo sem chumbo (com temperaturas máximas que chegam a 260 °C), o FR4 padrão pode amolecer, deformar ou até mesmo delaminar. No entanto, as placas de circuito impresso de alta Tg ainda conseguem manter a resistência mecânica sob essas condições extremas: resistência mecânica, propriedades de isolamento elétrico, estabilidade dimensional e resistência química e à umidade.

Por que PCBs de alta Tg são necessários

1. Desafios relacionados à densidade de calor e potência

Sistemas eletrônicos de alto desempenho, como unidades de controle automotivo, inversores de potência e equipamentos de acionamento industrial, geram uma grande quantidade de calor durante a operação. Se a temperatura exceder os limites de temperatura da placa de circuito impresso (PCB), as placas FR4 padrão podem deformar, empenar ou até mesmo falhar. A PCB de alta Tg possui melhor resistência térmica, permitindo que mantenha sua forma e não se delamine em altas temperaturas, sendo adequada para ambientes de trabalho de alta carga a longo prazo.

2. Fabricação sem chumbo, RoHS

A soldagem por refluxo sem chumbo está em conformidade com o padrão RoHS, mas a temperatura de soldagem chega a 245-260 °C, próxima ou até mesmo superior à temperatura de transição vítrea (Tg) do FR4 padrão. Placas de circuito impresso (PCBs) comuns são propensas a bolhas ou delaminação durante esse processo. O uso de material FR4 com alta Tg pode evitar esses problemas e garantir que a placa permaneça plana e confiável após a soldagem.

3. PCBs com alto número de camadas e HDI

A estrutura interna de placas multicamadas e placas HDI é complexa, com vias densas e componentes de passo fino, o que dificulta a dissipação de calor e favorece o acúmulo térmico, podendo levar a aquecimento irregular ou danos à placa. Nesses casos, é necessário o uso de PCBs de alta temperatura, ou seja, materiais com altos valores de Tg e baixa expansão térmica no eixo Z para evitar rachaduras e delaminação, além de aumentar a confiabilidade geral.

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Principais vantagens e propriedades de PCBs de alta Tg

Ao escolher materiais para PCBs, além do preço e do número de camadas, o que realmente importa é se eles conseguem operar de forma estável por um longo período em ambientes de alta temperatura e alta potência. Essa é justamente a vantagem de um PCB de alta Tg. Comparado com placas padrão, ele mantém a estabilidade estrutural mesmo próximo ao limite de temperatura do PCB, e seu desempenho elétrico não sofre uma queda significativa.

A tabela a seguir resume claramente as principais vantagens das PCBs de alta Tg, como maior valor de Tg, menor CTE no eixo Z e desempenho mais confiável do FR4 de alta Tg, além de melhor resistência ao calor e confiabilidade em ambientes de PCB de alta temperatura.

Materiais comuns para PCBs de alta Tg

Aplicações de PCBs de alta Tg

Conclusão

Atualmente, os produtos eletrônicos possuem maior potência, tamanho reduzido e ambientes de trabalho mais exigentes. Isso requer que as placas de circuito impresso sejam capazes de suportar temperaturas mais elevadas e garantir estabilidade a longo prazo. A placa de circuito impresso de alta Tg é projetada precisamente para atender a essa demanda. Ela aumenta a resistência da placa de circuito impresso a altas temperaturas, umidade e estresse mecânico por meio de um valor de Tg mais alto e uma melhor classificação de temperatura do FR4.

Sejam placas HDI multicamadas, eletrônica automotiva ou módulos de RF, sempre que o ambiente de aplicação apresentar alta temperatura e alta potência, escolha FR4 de alta Tg (high Tg FR4) ou PCB de alta temperatura (high temperature PCB). Todas essas opções garantem que a placa de circuito impresso continue operando de forma estável e sem perda de desempenho ao se aproximar dos limites de temperatura da PCB.

Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia eletrônica em direção a alta potência e alta densidade, entender o que é Tg em PCBs, como escolher a classificação de Tg apropriada e selecionar os materiais corretos deixou de ser uma opção e se tornou uma condição necessária para garantir a confiabilidade e a segurança dos produtos.