Introducción
En el mundo del diseño de placas de circuito impreso (PCB) y la ingeniería de materiales, la temperatura de transición vítrea (Tg) es un concepto fundamental. Elegir la Tg correcta para su laminado o preimpregnado puede marcar la diferencia entre una placa fiable y una que se deforme, delamine o falle bajo tensión térmica. En este artículo, comprenderá claramente qué significa la Tg, cómo afecta a la fiabilidad de las PCB, cómo se mide y le brindará consejos prácticos para seleccionar la clase de Tg adecuada para su aplicación.
1. ¿Qué es la temperatura de transición vítrea (Tg)?
1.1 Definición básica y perspectiva molecular
Glass transition temperature, commonly denoted Tg, is the temperature range where an amorphous (or semi‑amorphous) polymer transitions from a hard, "glassy" (rigid) state to a softer, rubber‑like or more mobile state. Below Tg, molecular chains in the polymer matrix are effectively "frozen" — they cannot rearrange freely. As temperature increases through Tg, local chain segments begin to move, increasing free volume, lowering modulus, and increasing thermal expansivity.
Debido a que Tg es un fenómeno cinético, no una transición de fase termodinámica brusca, su punto preciso depende de las velocidades de calentamiento/enfriamiento, el método de medición y el grado de curado del polímero.
1.2 Vidrioso vs Goma vs Estados Líquidos
- Por debajo de Tg: el material es rígido, frágil, dimensionalmente estable y se comporta más como un vidrio.
- Near Tg: The modulus and thermal expansion coefficient change rapidly.
- Above Tg (but below decomposition/melting): The matrix becomes more compliant, molecular chains have more mobility, the material behaves more "rubbery."
La Tg es siempre menor que la temperatura de fusión (Tm) de los dominios semicristalinos, cuando existen.
En el contexto de PCB, exceder la Tg no "derrite" el sustrato, pero puede degradar la rigidez mecánica y aumentar drásticamente la expansión.
2. Por qué la Tg es importante para los PCB: estabilidad, estrés y confiabilidad
La Tg en una PCB es más que un simple número: define cómo se comportará el compuesto (vidrio + epoxi + cobre) bajo ciclos térmicos, soldadura y funcionamiento a largo plazo.
2.1 Expansión térmica y desajuste de tensiones
Por debajo de la Tg, el CTE (coeficiente de expansión térmica) de la matriz epoxi/vidrio es relativamente moderado y está relativamente controlado. Sin embargo, a medida que la temperatura se acerca a la Tg, el coeficiente de expansión del epoxi puede aumentar. Dado que el refuerzo de cobre y fibra de vidrio limita parcialmente la expansión, gran parte de la tensión de expansión se traslada a la dirección del eje Z (espesor) y a la región del orificio pasante (PTH).
Si una placa gira repetidamente por encima de Tg, la tensión acumulada puede provocar delaminación, grietas en las vías o rotura del revestimiento.
2.2 Estabilidad dimensional y deformación
Los materiales con alta Tg tienden a ser más estables dimensionalmente bajo altas tensiones térmicas. Las placas fabricadas con resinas de baja Tg pueden deformarse o deformarse bajo cargas térmicas elevadas y prolongadas. Esto es especialmente problemático en diseños HDI (interconexión de alta densidad) o de paso fino, donde una pequeña deformación puede desalinear las pistas o los componentes.
2.3 Confiabilidad durante la soldadura y el montaje
During reflow or wave soldering, PCBs may see localized hot spots exceeding 150 °C or more. If Tg is too low, parts of the board may soften or distort during assembly—leading to misregistration, delamination, or circuit shifts. High Tg provides a buffer during the harsh thermal stress of soldering.
2.4 Envejecimiento y degradación a largo plazo
Over time, polymers undergo mechanical, thermal, and chemical aging. A higher Tg often correlates with improved thermal stability and slower degradation under elevated temperatures, which is especially beneficial in high-reliability, long-lifetime electronics.
3. Medición de Tg: métodos, diferencias y dificultades
Debido a que Tg es algo subjetivo (depende de la medición), para los laminados de PCB normalmente verá valores determinados por uno o más de los siguientes métodos:
3.1 DSC (calorimetría diferencial de barrido)
- Mide el flujo de calor a medida que se calienta la muestra.
- Se observa un "paso" en la capacidad térmica alrededor de Tg.
- A menudo se informa como el punto medio de ese paso.
- Ventaja: bien estandarizado (ASTM E1356, etc.).
- Advertencia: el tamaño de muestra es pequeño y no mide directamente el comportamiento mecánico ni el cambio dimensional.
3.2 DMA (Análisis mecánico dinámico)
- Mide el módulo mecánico (módulo de almacenamiento/pérdida) en función de la temperatura/frecuencia.
- La Tg a menudo se toma en el pico del módulo de pérdida o tanδ.
- Se correlaciona mejor con el rendimiento mecánico (caída de rigidez).
- Diferentes frecuencias pueden desplazar la Tg observada.
3.3 TMA (Análisis termomecánico) / Dilatometría TMA
- Mide el cambio dimensional (expansión) frente a la temperatura, detectando un cambio en la pendiente en Tg.
- Captura el comportamiento de expansión física en lugar del flujo de calor o el módulo mecánico.
Debido a que estos métodos miden fenómenos diferentes (cambio de capacidad térmica vs módulo vs expansión), los valores de Tg informados pueden diferir entre 10 y 20 °C o más para el mismo material.
Además, la Tg depende de:
- Grado de curado: la resina poco curada mostrará una Tg más baja.
- Tasas de calentamiento/enfriamiento: las tasas más rápidas desplazan la Tg hacia arriba.
- Historial de la muestra y contenido de humedad: el agua actúa como plastificante y reduce la Tg.
4. Selección de Tg para el diseño de PCB: directrices y ventajas y desventajas
Al elegir Tg para una placa, debe equilibrar la confiabilidad, el rendimiento y el costo.
4.1 Margen de la regla empírica
Una pauta común es elegir un valor de Tg entre 20 y 30 °C superior a la temperatura máxima de funcionamiento del dispositivo. Esto proporciona un margen de seguridad contra picos térmicos, derivas o incertidumbre de la medición.
Por ejemplo, si su dispositivo puede alcanzar 125 °C, es posible que busque una Tg de al menos 155–160 °C.
4.2 Rangos de Tg estándar, medio y alto
- Estándar FR‑4: Tg ~ 130–140°C
- Tg media: ~150–160 °C (se utiliza a menudo cuando se necesita un rendimiento térmico moderado)
- Tg alta: ≥ 170–180 °C o más
4.3 Tradeoffs & Caveats
- Costo: Las resinas con Tg más alta son más caras y pueden requerir un procesamiento más preciso (control de la temperatura de curado, manipulación).
- Adhesión/Tenacidad: A medida que aumenta la Tg, el polímero puede volverse más frágil, lo que reduce la tenacidad o la adhesión (especialmente la adhesión del cobre al laminado) bajo impacto o tensión mecánica. Algunos proveedores advierten que una Tg alta puede reducir la resistencia de la adhesión.
- Complejidad del proceso: Las resinas con Tg más altas pueden requerir tiempos de curado más prolongados, un control de temperatura más estricto o un apilamiento de preimpregnados más refinado para evitar la delaminación durante la laminación.
- Compatibilidad con otros materiales: La falta de coincidencia de expansión térmica con cobre, vías u otras capas sigue siendo crítica.
5. Modos de fallo y mitigación: cuando se supera la Tg
A continuación se presentan algunas formas ilustrativas en las que las cosas pueden salir mal cuando no se contabiliza adecuadamente el Tg y cómo mitigarlo:
5.1 Delaminación y falla interfacial
Si en áreas localizadas de la placa se supera la Tg durante la operación o el reflujo, la matriz de resina se ablanda y la unión entre capas puede debilitarse. Los ciclos repetidos fatigan la interfaz y causan delaminación. Esto es especialmente peligroso cerca de bordes, cortes o vías.
Mitigación: Utilice sistemas de resina con mayor Tg y fuertes propiedades de adhesión; diseño para un aumento gradual en la laminación; evitar gradientes térmicos extremos.
5.2 Agrietamiento por orificio pasante revestido (PTH) / Falla por desprendimiento de cobre
El desajuste de expansión (especialmente en el eje Z) por encima de la Tg puede tensionar el cobreado. Con el tiempo, pueden formarse grietas en el cobreado o en el barrilado.
Mitigación: Asegúrese de que el margen Tg cubra las excursiones térmicas esperadas; optimice mediante geometría (anillo anular, relación de aspecto); utilice acabado de barril o refuerzo si es necesario.
5.3 Warpage & Misregistration
Las placas que se ablandan cerca de la temperatura de transición vítrea (Tg) pueden deformarse o presentar deslizamiento. En placas de paso fino o HDI, incluso una pequeña deformación puede desalinear las vías, las bolas BGA o las microvías.
Mitigación: utilizar apilamientos de laminados más rígidos, imponer capas simétricas, seleccionar Tg alto en capas críticas y limitar los gradientes de temperatura en el procesamiento.
5.4 Envejecimiento acumulativo bajo altas temperaturas
Incluso si una placa nunca supera repetidamente la temperatura de Tg, operar cerca de Tg durante períodos prolongados acelera el envejecimiento, el ablandamiento y la microfisura.
Mitigación: Proporcionar gestión térmica, reducir las alturas o seleccionar una Tg muy por encima de las temperaturas esperadas a largo plazo.
Preguntas frecuentes sobre la temperatura de transición vítrea (TG) en materiales de PCB
¿Qué es Tg en materiales de PCB?
La Tg (temperatura de transición vítrea) es el punto donde la resina de la PCB cambia de rígida a blanda. Por debajo de esta temperatura, el material se mantiene estable; por encima, se vuelve flexible y se expande más rápido. Esto afecta la capacidad de la placa para soportar el calor.
¿Por qué es importante Tg en el diseño de PCB?
La Tg afecta el rendimiento de una PCB bajo calor. Si la Tg es demasiado baja, la placa puede deformarse, delaminarse o agrietarse durante la soldadura o el funcionamiento. Elegir la Tg correcta garantiza la fiabilidad a largo plazo.
¿Qué rango de Tg debo elegir para mi tabla?
·Placas estándar: 130–140°
·Placas de alto rendimiento: 170 °C o más
Seleccione una temperatura de transición vítrea (Tg) al menos 20–30 °C superior a la temperatura máxima de funcionamiento de su placa.
¿Es siempre mejor tener una Tg más alta?
No siempre. Una temperatura de transición vítrea (Tg) alta mejora el rendimiento térmico, pero puede aumentar los costos y reducir la tenacidad o la adhesión. Elija la Tg según la exposición real al calor de su dispositivo.
¿Cómo se mide la Tg y por qué difieren los valores?
La Tg se puede medir mediante DSC, DMA o TMA. Cada método ofrece resultados ligeramente diferentes porque mide propiedades diferentes (flujo de calor, rigidez, expansión). Por eso, los valores de Tg en las hojas de datos pueden variar.
Conclusión
- La Tg es una región de transición dinámica, no un límite definido. Distintos métodos de medición producen distintos valores de Tg.
- En las PCB, Tg marca la región donde la matriz de resina comienza a ablandarse y expandirse más rápidamente, generando potencialmente tensión en las vías, el cobre y las interfaces.
- Elija siempre un margen de Tg (20–30 °C o más) en función de su temperatura máxima esperada.
- Las resinas de alta Tg aportan importantes beneficios (estabilidad dimensional, baja expansión, resistencia al estrés térmico), pero implican costos, complejidad de procesamiento y desventajas (tenacidad, adhesión).
- Un diseño de PCB bien estructurado considera Tg junto con CTE, apilamiento, disposición de vías y ciclos térmicos.
