在现代电子设备小型化与高频化的趋势下，高TG板材（玻璃化转变温度≥170℃）已成为高性能PCB的核心基材。这类板材在高温下能保持刚性，减少Z轴膨胀，避免导通孔裂纹。但高功率器件产生的热量仍需依赖导热填料高效导出。两者的适配性直接影响电路板的散热效率、机械强度及长期可靠性。

一、高TG板材的热特性与挑战

高TG板材（如FR4-TG170、IT-180A）在高温环境中具有三大优势：

1. 尺寸稳定性强：TG值每提升30℃，20层板的层间对位精度可优化15%，减少高温焊接时的形变风险。

2. 耐化学腐蚀性高：吸湿率低于普通板材，在潮湿环境中绝缘性能更稳定。

3. 热分解温度（Td）高：普通FR-4的Td约310–340℃，而聚酰亚胺基高TG材料Td可达400℃，避免高温碳化。

然而，高TG树脂（如环氧树脂、聚酰亚胺）本身导热系数仅0.3W/(m·K)，需依赖填料构建散热路径。

二、导热填料的性能分级与选型逻辑

导热填料通过形成“导热网链”提升散热效率，但填料的类型、形态及表面处理需与高TG基体匹配：

1. 填料类型的热导率优先级

• 氮化物：氮化铝（AlN）导热系数达320W/(m·K)，且热膨胀系数（CTE）与高TG树脂接近，减少界面热应力。

• 氧化物：氧化铝（Al₂O₃）成本低（热导率30W/(m·K)），但需填充60%体积分数才能实现1.5W/(m·K)复合材料。

• 碳化物：碳化硅（SiC）热导率120W/(m·K)，但介电常数过高，仅适用低频模块。

2. 填料形态的适配性差异

3. 表面处理的核心作用

填料与树脂界面结合强度决定40%的热阻。例如：

• 硅烷偶联剂处理：使氧化铝/环氧树脂热导率提升10%，因偶联剂减少界面气隙。

• 酯化碳纳米管：在硅脂中分散性改善，2%填充量即可提升热导率近100%。

三、适配性优化：工艺与设计的协同策略

1. 填充工艺的平衡点

• 级配填充技术：混合20μm与3μm氮化铝（质量比4:6），使环氧树脂热导率达1.37W/(m·K)，提升30%。

• 局部增强设计：在BGA区域嵌铜块（厚2mm），局部散热提升8倍，但成本增加15%。

2. 避免高TG板材的加工损伤

高TG树脂硬化后脆性增加，钻孔易产生微裂纹。解决方案：

• 填料粒径≤板厚10%，如0.2mm孔径板需用≤20μm填料。

• 添加柔性填料（如硅橡胶包覆BN），补偿基体脆性。

3. 成本导向的选型组合

某5G基站PCB因长期工作在270℃（接近Td临界值），3个月后基材碳化引发阻抗突变。失效分析发现：

• 问题：原设计使用纯环氧树脂+30% Al₂O₃，热导率仅1.2W/(m·K)。

• 改进：替换为聚酰亚胺基板+40% AlN/BN混合填料，热导率升至2.9W/(m·K)，Td提升至390℃。

高TG板材与导热填料的适配，本质是热稳定性、界面工程与成本三角的平衡。未来需突破三方向：开发低粘度高TG树脂（容纳＞65%填料）、设计多级核壳结构填料（如Al₂O₃@BN）、利用AI模拟填料网络拓扑。只有协同优化，才能支撑6G太赫兹通信与自动驾驶电子系统的极端散热需求。