Wenn ein elektronisches Gerät im Einsatz unerwartet ausfällt, ist thermische Belastung oft die unbemerkte Ursache. Angesichts der Miniaturisierung von Bauteilen und der steigenden Leistungsdichte ist die Wahl der richtigen Glasübergangstemperatur (Tg) für Ihre Leiterplatte nicht mehr optional, sondern eine entscheidende Designentscheidung.
Die Wahl des falschen Tg-Wertes kann zu Verformungen der Platine, Ablösungen von Leiterbahnen oder Rissen in durchkontaktierten Löchern beim bleifreien Löten oder bei starker Beanspruchung führen.
In diesem Leitfaden erklären wir Ihnen alles, was Sie wissen müssen, um die Glasübergangstemperatur (Tg) einer Leiterplatte so auszuwählen, dass langfristige Zuverlässigkeit gewährleistet ist, ohne dass die Materialkosten zu hoch ausfallen.
Die Glasübergangstemperatur (Tg) ist die Temperaturschwelle, bei der die Harzmatrix einer Leiterplatte von einem harten, starren Zustand in einen weichen, flexiblen Zustand übergeht.
Tg ist weder der Schmelzpunkt noch die maximale Betriebsgrenze der Leiterplatte. Vielmehr markiert sie den Punkt, an dem sich die mechanischen und physikalischen Eigenschaften des Substrats rapide verschlechtern.
Bei Temperaturen über dieser Temperatur dehnt sich das Material viel schneller aus, insbesondere entlang der Z-Achse, wodurch eine starke mechanische Belastung auf die Kupferleiterbahnen und die durchkontaktierten Löcher (PTH) ausgeübt wird.
Für moderne Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen gewährleistet die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Leiterplattenhersteller wie Victory PCB , dass Ihr Design erstklassige Substratlaminate verwendet, die den Qualitätsstandards ISO 9001 und IATF 16949 entsprechen.
Leiterplattenlaminate werden je nach Harzzusammensetzung und thermischer Stabilität in primäre Tg-Tiers eingeteilt:
Standard Tg (130°C – 140°C): Traditionelles FR-4, geeignet für einfache Unterhaltungselektronik, die in Umgebungen mit moderaten Temperaturen betrieben wird.
Mittlere Glasübergangstemperatur (150°C – 160°C): Sorgt für eine verbesserte thermische Stabilität von industriellen Steuerungen, Netzteilen und LED-Treibern für den Außenbereich.
Hohe Glasübergangstemperatur (Tg) (≥ 170 °C – 180 °C): Unverzichtbar für Multilayer-Leiterplatten, Automobilelektronik und Telekommunikationsserver. Erfahren Sie mehr über die Eigenschaften und Vorteile von High-Tg-Leiterplatten für anspruchsvolle thermische Umgebungen.
Ultrahohe Glasübergangstemperatur (≥ 250°C): Wird in militärischen, Luft- und Raumfahrt- sowie Bohrlochbohrgeräten eingesetzt, wo die Betriebsbedingungen die typischen Grenzen von Epoxidharzen überschreiten.
Eine Grundregel beim PCB-Design ist, die maximale Dauerbetriebstemperatur des Bauteils deutlich unter dem Tg-Wert des Laminats zu halten.
Ein zuverlässiger Richtwert ist die Wahl eines Tg-Materials, das mindestens 20°C bis 30°C höher liegt als die höchste zu erwartende Temperatur Ihrer Betriebsumgebung.
Wenn beispielsweise in einem Industriegehäuse Innentemperaturen von 130 °C erreicht werden, sollte man ein Material mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von mindestens 150 °C bis 160 °C wählen, um ein Erweichen des Harzes und einen mechanischen Verschleiß im Laufe der Zeit zu verhindern.
Moderne Umweltauflagen schreiben die bleifreie Montage vor, die deutlich höhere Verarbeitungstemperaturen erfordert als das herkömmliche bleihaltige Löten.
Während herkömmliches Lötzinn bei etwa 183°C schmilzt, erreichen bleifreie Lötprofile maximale Reflow-Temperaturen zwischen 245°C und 260°C.
Bei Standard-Tg-Leiterplatten, die diesen Temperaturen ausgesetzt sind, kann es zu starken thermischen Schocks und Delaminationen der inneren Schichten kommen. Daher sind Materialien mit hoher Glasübergangstemperatur (≥ 170°C) für die mehrstufige, bleifreie Montage bei der Herstellung starrer Leiterplatten unerlässlich.
Komplexe Designs wie mehrlagige Leiterplatten und HDI-Leiterplatten durchlaufen während der Herstellung und Laminierung mehrere thermische Zyklen.
Mit zunehmender Schichtdichte steigt durch die Wärmeausdehnung entlang der Z-Achse das Risiko von Rissbildung in Durchkontaktierungen und Ausfällen von Mikrovias. Materialien mit hoher Glasübergangstemperatur (Tg) begrenzen diese Wärmeausdehnung und schützen interne Verbindungen.
Berücksichtigen Sie außerdem stets lokale thermische Hotspots. Hochleistungskomponenten wie MOSFETs, Power-Management-ICs oder Treiber können Hotspots erzeugen, die deutlich heißer sind als die Umgebungstemperatur des Gehäuses.
Die Materialauswahl sollte sich stets an der Spitzentemperatur in der Nähe dieser Hochleistungsbauteile orientieren.
Um Ihre technische Überprüfung und Materialspezifikation zu optimieren, gleichen Sie Ihre Produktanforderungen mit dem unten stehenden einheitlichen Referenzleitfaden ab:
| Zielanwendung | Betriebstemperaturgrenze | Empfohlene Tg-Klasse | Wichtige Begleitmetriken | Geeignete Materialqualität |
| Consumer Elektronik (Smartphones, Wearables, Smart Home) |
Weniger als 80 °C | Standard-Tg (130 ° C - 140 ° C) |
• Td: ≥ 300°C • Z-CTE: < 4.5 % |
Standard FR-4 |
| Industrie & Outdoor (Motorsteuerungen, Netzteile, LEDs) |
80 ° C ° C bis 110 | Mittleres Tg (150 ° C - 160 ° C) |
• Td: ≥ 325°C • Z-CTE: < 4.0 % |
Hoher CTI-Wert / Verbesserter FR-4-Effekt |
| Automobilindustrie & Wechselrichter (Motorraum, Steuergerät, Wechselrichter) |
110 ° C ° C bis 140 | Hohe Tg (≥ 170°C) |
• Td: ≥ 340°C • Z-CTE: < 3.5 % |
Isola S1000-2, IT-1803 |
| Telekommunikation und Server (5G-Basisstationen, Rechenzentren, High-Layer-HDI) |
110 ° C ° C bis 140 (24/7 Hochlast) |
Hohe Tg (≥ 170°C) |
• Td: ≥ 350°C • T288: ≥ 15 min |
Hochtemperatur-FR-4, Rogers-Hybrid |
| Luft- und Raumfahrt & Verteidigung
(Flugsteuerung, Avionik, Bohrloch) |
Über 150 °C | Ultrahohe Glasübergangstemperatur (≥ 250°C) |
• Td: ≥ 380°C • T288: ≥ 30 min |
Polyimid (PI) / Starrflex |
Die Wahl der richtigen Tg erfordert ein ausgewogenes Verhältnis zwischen langfristiger Produktzuverlässigkeit und den Beschränkungen der Stückliste.
Hochtemperatur-Laminate (Hoch-Tg) kosten aufgrund spezieller Harzformulierungen und Additive typischerweise 15 % bis 30 % mehr als Standard-FR-4. Darüber hinaus sind Hochtemperatur-Werkstoffe härter und erfordern angepasste Bohrparameter bei der Verarbeitung.
Führende Hersteller wie Victory PCB verfügen über einen umfangreichen Rohmaterialbestand, darunter Standard-FR-4, FR-4 mit mittlerer/hoher Glasübergangstemperatur, Aluminium, Polyimid und Rogers, was eine schnelle Prototypenerstellung und Serienproduktion von Leiterplatten ohne lange Materiallieferzeiten ermöglicht.
Die Glasübergangstemperatur (Tg) ist der Punkt, an dem das Harz weich wird und flexibel wird, während die Zersetzungstemperatur (Td) der Punkt ist, an dem sich das Laminat chemisch zersetzt und an Gewicht verliert. Td ist eine irreversible chemische Reaktion, weshalb hohe Td-Werte entscheidend sind, um der Hitze beim bleifreien Reflow-Löten standzuhalten.
Nein, Tg gibt die thermische Stabilität an, nicht die Wärmeleitfähigkeit. Wenn Ihre Leiterplatte eine effiziente Wärmeableitung erfordert, sollten Sie spezielle Aluminium-Leiterplattensubstrate oder dicke Kupferschichten in Betracht ziehen, anstatt einfach den Tg-Wert zu erhöhen.
Für einfache 2-Lagen-Leiterplatten sind Materialien mit hoher oder mittlerer Glasübergangstemperatur (Tg) zwar nicht zwingend erforderlich, jedoch werden sie für die bleifreie Bestückung dringend empfohlen. Die Reflow-Temperaturen beim bleifreien Löten erreichen 240–260 °C, was bei Standard-FR-4-Materialien zu starker thermischer Spannung, Verformung oder Delamination führen kann.
Die Wahl der optimalen Glasübergangstemperatur (Tg) für Leiterplatten erfordert die Berücksichtigung Ihrer kontinuierlichen Betriebstemperaturen, der Anforderungen an das Reflow-Löten der Bestückung, der Lagendichte und Ihres Gesamtbudgets. Durch die Integration eines ausreichenden Temperaturpuffers und die Kombination der Tg mit anderen thermischen Parametern wie der Verdichtungstemperatur (Td) und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) gewährleisten Sie hohe Leistung und Langlebigkeit über den gesamten Lebenszyklus Ihres Elektronikprodukts.
Haben Sie Fragen zur Auswahl des richtigen Materialaufbaus oder benötigen Sie fachkundige Beratung für Ihr nächstes Leiterplattendesign? Dann kontaktieren Sie Victory PCB noch heute. Unser erfahrenes Ingenieurteam prüft gerne Ihre Gerber-Dateien und unterstützt Sie bei der Entwicklung zuverlässiger und kostengünstiger Leiterplatten, die exakt auf Ihre Anwendungsanforderungen zugeschnitten sind.
