為何玻璃轉化溫度是可靠 PCB 效能的關鍵
2 分鐘
- PCB 材料玻璃轉移溫度 (Tg) 概述
- 玻璃轉移溫度的定義與工作原理
- Tg 測量方法
- Tg 對 PCB 可靠性的影響
- 材料選擇：標準 FR4、Mid-Tg 與 High-Tg
- 高 Tg PCB 製造考量
- JLCPCB 高 Tg PCB 製造技術
- FAQ
PCB 材料玻璃轉移溫度 (Tg) 概述
曾遇到剛回流完成的 PCB，發現板材膨脹氣泡或通孔破裂嗎？這可能不是回流曲線或錫膏問題，而是 PCB 基材本身的玻璃轉移溫度（Tg）影響。Tg 是 PCB 板材在製程和可靠性中最重要卻常被忽略的特性之一。
玻璃轉移溫度的定義與工作原理
玻璃轉移溫度 (Tg)：材料從硬脆玻璃態轉變為軟橡膠態的溫度。注意，Tg 不是熔點，而是材料分子逐漸變得靈活的溫度。低於 Tg 時，環氧樹脂分子鏈固定，板材剛性高；高於 Tg 時，分子鏈運動增加，板材變得柔軟且尺寸不穩定。
對 PCB 工程師而言，Tg 以下 FR4 板 Z 軸熱膨脹係數為 50–70 ppm/°C；高於 Tg 則可達 250–300 ppm/°C，導致通孔裂紋、焊盤翹起或內層剝離。
Tg 測量方法
不同測量方法會產生略微不同的 Tg 值，重要的是了解差異以便比較不同廠商的資料表：
- DSC（差示掃描量熱法）：測量熱容隨溫度變化，依熱流曲線拐點判定 Tg。符合 IPC-TM-650 2.4.25。
- TMA（熱機械分析）：測量尺寸變化，依 CTE 曲線急劇上升判定 Tg。符合 IPC-TM-650 2.4.24C，可提供 Z 軸膨脹數據。
- DMA（動態機械分析）：測量材料剛性與阻尼變化，靈敏度最高，報告 Tg 通常比 TMA 高 10–25°C。
| 測量方法 | IPC 標準 | 測量內容 | Tg 偏差 |
|---|---|---|---|
| DSC | IPC-TM-650 2.4.25 | 熱容變化 | 基準值 |
| TMA | IPC-TM-650 2.4.24C | 尺寸變化 (CTE) | 比 DSC 低 0–10°C |
| DMA | N/A (ASTM) | 剛性與阻尼變化 | 比 DSC 高 10–25°C |
Tg 對 PCB 可靠性的影響
當 PCB 工作溫度接近 Tg，板材剛性下降，尺寸穩定性差，內層偏移，導致通孔對位錯誤及內層銅剝離。
在熱循環中，超過 Tg 的板材膨脹收縮導致疲勞應力累積，影響電氣連接。高 Tg 材料可承受更多回流和運行溫度變化，適用於汽車、航太和工業控制。
材料選擇：標準 FR4、Mid-Tg 與 High-Tg
| 屬性 | 標準 FR4 | Mid-Tg FR4 | High-Tg FR4 |
|---|---|---|---|
| Tg (DSC) | 130–140°C | 150–155°C | 170–180°C |
| Td (分解溫度) | 300–310°C | 320–340°C | 340–350°C |
| Z 軸 CTE (Tg 以下) | 55–70 ppm/°C | 45–55 ppm/°C | 40–50 ppm/°C |
| Z 軸 CTE (Tg 以上) | 250–300 ppm/°C | 200–250 ppm/°C | 180–230 ppm/°C |
| T260 (分鐘) | 5–10 | 15–30 | 30–60+ |
| T288 (分鐘) | 2–5 | 5–15 | 15–30+ |
| 典型材料 | Shengyi S1000, NP-140 | NP-155F, Shengyi S1000H | Shengyi S1000-2M, Isola 370HR, ITEQ IT-180A |
| 成本相對標準 | 1x | 1.1–1.3x | 1.3–1.6x |
高 Tg PCB 製造考量
- 鑽孔：調整進給與速度，降低熱量與孔壁毛邊
- 去膠/蝕刻：樹脂抗化學性高，需要延長處理或加強藥液
- 層壓：高 Tg 材料需更高溫度與時間完全固化，避免未完全固化降低 Tg
- 濕度控制：預烘烤以避免熱加工膨脹造成層間剝離
- 製程驗證：使用 DSC/TMA 測試板塊確認實際 Tg 與材料規格一致
JLCPCB 高 Tg PCB 製造技術
提供三種 Tg 等級以滿足不同需求：
- 標準 FR4 TG135-140：1–6 層板
- Mid-Tg FR4 TG155：NP-155F 材料，適用普通多層板
- High-Tg FR4 TG170：Shengyi S1000-2M，汽車與工業級應用
注意：JLCPCB 控制阻抗設計時會對應材料的介電特性，確保高 Tg PCB 阻抗符合計算值。
FAQ
Q: 標準 FR4 的 Tg 是多少？
標準 FR4 板材 DSC 測量 Tg 為 130–140°C，適用一般電子應用。
Q: 為何無鉛焊組裝需要高 Tg 材料？
無鉛焊錫 SAC305 峰值熔點 217–220°C，回流溫度可達 245–260°C，比傳統 SnPb 高 30–40°C，因此需要高 Tg 材料以避免板材變形與失效。
Q: Tg 與 Td 的差異？
Tg 為可逆轉的玻璃轉移，低於 Tg 板材恢復剛性；Td 為分解溫度，板材開始不可逆化學降解，FR4 約 300–310°C。
Q: 如何選擇 PCB Tg 等級？
考慮組裝流程（有鉛/無鉛）、工作環境溫度、回流次數。單面或簡單雙面有鉛組裝，標準 Tg 足夠。
Q: PCB 實際 Tg 會比規格低嗎？
可能會。樹脂未完全固化或吸濕會降低實際 Tg，造成可靠性問題。
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