TG-Wert (Glasübergangstemperatur)

Thermische Kenngröße des Leiterplatten-Basismaterials

Der TG-Wert (Glasübergangstemperatur) ist eine der wichtigsten thermischen Kenngrößen eines Leiterplatten-Basismaterials. Er gibt an, bei welcher Temperatur das Material seinen Aggregatzustand von hart (glasartig) zu weich (gummiartig) ändert und hat direkten Einfluss auf Prozesssicherheit und Langzeitzuverlässigkeit der Baugruppe.

Definition

Der TG-Wert (Glasübergangstemperatur, engl. Glass Transition Temperature) beschreibt die Temperatur, ab der ein polymeres Basismaterial einer Leiterplatte seinen Charakter ändert: Unterhalb des TG-Wertes verhält sich das Material steif und glasartig (hohe mechanische Festigkeit), oberhalb wird es zunehmend weich und gummiartig (geringere Festigkeit, erhöhte Ausdehnung). Dieser Übergang ist reversibel und findet nicht schlagartig, sondern in einem Temperaturbereich statt.

Für die Elektronikfertigung ist der TG-Wert besonders relevant beim Reflow-Löten, da dabei Temperaturen von 240-260 °C auftreten. Das Basismaterial muss diese Temperaturen ohne bleibende Schädigung überstehen. Gängige FR4-Materialien haben TG-Werte von 130-180 °C; für anspruchsvolle Anwendungen sind Materialien mit TG > 170 °C (High-TG) empfehlenswert. Neben dem TG-Wert sind auch die Wärmeausdehnung (CTE) und die thermische Zersetzungstemperatur (TD) relevante Kenngrößen.

Grundlagen

Leiterplatten-Basismaterialien wie FR4 bestehen aus Epoxidharz und Glasfasergewebe. Das Epoxidharz ist ein Polymer, dessen molekulare Struktur durch Wärme beeinflusst wird. Unterhalb des TG-Wertes sind die Polymerketten in einer starren, vernetzten Struktur fixiert. Oberhalb des TG-Wertes gewinnen die Ketten an Beweglichkeit, das Material wird weicher und dehnt sich stärker aus (erhöhter CTE). Dies kann zu mechanischen Spannungen, Delaminierung oder Lötstellenrissen führen. Der TG-Wert wird nach Normen wie IPC-TM-650 mittels DSC (Differential Scanning Calorimetry) oder TMA (Thermomechanical Analysis) gemessen.

Technischer Ablauf

  1. Auswahl des Basismaterials anhand der thermischen Anforderungen der Anwendung (Betriebstemperatur, Lötprozess).
  2. Prüfung des TG-Werts durch den Leiterplattenhersteller nach IPC-TM-650 mittels DSC oder TMA.
  3. Auswahl eines geeigneten Reflow-Profils, das die TG-Temperatur des Materials nicht dauerhaft überschreitet.
  4. Mehrfaches Löten (z. B. beidseitige Bestückung) erhöht die thermische Belastung – TG-Wert muss entsprechend gewählt werden.
  5. Qualitätsprüfung nach Fertigung auf Delaminierung, Blasenbildung oder Verfärbung als Anzeichen thermischer Schädigung.

Anwendungsbereiche

  • Auswahl von Leiterplatten-Basismaterialien für SMT-Fertigungsprozesse
  • Hochtemperaturanwendungen in Automotive- und Industrieelektronik
  • Mehrfach gelötete Baugruppen mit beidseitiger SMD-Bestückung
  • Bleifreie Lötprozesse mit erhöhten Reflow-Temperaturen (SAC-Legierungen)
  • Leiterplatten für LED-Hochleistungsanwendungen mit erhöhter Betriebstemperatur

Vorteile

  • Klare Kenngröße für die thermische Eignung eines Basismaterials
  • Ermöglicht gezielte Materialauswahl für den jeweiligen Fertigungs- und Betriebsprozess
  • High-TG-Materialien bieten höhere Prozesssicherheit bei bleifreien Lötprozessen
  • Reduzierung von Ausschuss durch materialgerechte Prozessführung
  • Standardisierte Messung nach IPC-TM-650 ermöglicht Vergleichbarkeit

Herausforderungen

  • High-TG-Materialien sind teurer als Standard-FR4
  • TG-Wert allein reicht zur vollständigen Materialbewertung nicht aus – CTE und TD sind ebenfalls relevant
  • Mehrfaches Löten kann den TG-Wert des Materials dauerhaft absenken
  • Falsche Materialauswahl führt zu Delaminierung, Blasenbildung oder Lötstellenrissen
  • Nicht alle Leiterplattenhersteller liefern standardmäßig Prüfberichte zum TG-Wert

FAQ

Frage: Was passiert, wenn der TG-Wert einer Leiterplatte beim Löten überschritten wird?

Antwort: Das Material wird weicher, dehnt sich stärker aus und kann delaminieren. Es entstehen Blasen oder Risse im Material. Bei kurzzeitiger Überschreitung im Lötprozess ist dies meist unkritisch; bei dauerhafter Überschreitung im Betrieb kann die Leiterplatte irreparabel beschädigt werden.

Frage: Was ist der Unterschied zwischen Standard-FR4 und High-TG-FR4?

Antwort: Standard-FR4 hat typischerweise einen TG-Wert von 130-140 °C. High-TG-FR4 erreicht Werte von 150-180 °C und ist besser für bleifreie Lötprozesse und anspruchsvolle Betriebsbedingungen geeignet.

Frage: Wie wird der TG-Wert gemessen?

Antwort: Hauptsächlich durch DSC (Differential Scanning Calorimetry) oder TMA (Thermomechanical Analysis) nach IPC-TM-650. Beide Methoden können leicht unterschiedliche Ergebnisse liefern, weshalb die Messmethode im Datenblatt angegeben sein sollte.

Frage: Warum ist der TG-Wert bei bleifreiem Löten besonders wichtig?

Antwort: Bleifreie Lotlegierungen (z. B. SAC305) schmelzen bei ca. 217-221 °C, die Reflow-Spitzentemperatur liegt bei 240-260 °C. Standard-FR4 mit TG 130 °C wird dabei deutlich überschritten. High-TG-Materialien bieten hier die notwendige Prozessstabilität.

Frage: Beeinflusst der TG-Wert auch die Betriebstemperatur des Endprodukts?

Antwort: Ja. Auch im Betrieb sollte die Leiterplatten-Temperatur dauerhaft unter dem TG-Wert bleiben. Bei Hochleistungs-LEDs oder Leistungselektronik mit hoher Verlustleistung ist ein ausreichend hoher TG-Wert essenziell.