背景
熱膨脹引起的尺寸錯配是電子線路板的主要損壞原因之一。為避免這種情況發(fā)生，通常采用高導(dǎo)熱材料散熱，并使用低膨脹材料配合低膨脹率的硅片及陶瓷絕緣體 。熱機械分析(TMA)長期以來應(yīng)用于測量線路板、電子元件和其它各類組成材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)。針對玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熱膨脹系數(shù)變化的溫度拐點、樣品軟化和應(yīng)力釋放效應(yīng)的產(chǎn)生，均有成熟可靠的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。對于層狀復(fù)合產(chǎn)品，TMA相應(yīng)的測試方法可以評估升溫過程中材料規(guī)整層狀結(jié)構(gòu)破壞所需時間。
TMA 4000的設(shè)計大大簡化了上述測試過程 ，非常適用于測量低膨脹率的小器件的膨脹。本文提供了這些標(biāo)準(zhǔn)方法的一些測試案例。
TMA 4000
01
實驗部分
數(shù)據(jù)測試均采用以下標(biāo)準(zhǔn)TMA測試程序：
• 氮氣吹掃；
• 5或10℃/分鐘的加熱速率；
• 通過循環(huán)冷卻水控制爐體冷卻槽溫度在15℃。
02
測試結(jié)果
0.33毫米厚PC板的Z軸熱膨脹系數(shù)
熱膨脹系數(shù)CTE的測試信號與被分析的樣品的高度成正比，因此測量只有0.33毫米高樣品的膨脹對TMA的靈敏度有很高的要求 。實驗中使用IPC-TM-6502.4.24c-“用TMA測量玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和Z軸的熱膨脹”作為標(biāo)準(zhǔn)1。該標(biāo)準(zhǔn)方法要求多層復(fù)合線路板樣品的高度至少要達(dá)到0.5毫米 。在多層PCB線路板上的一角切取一小塊作為試驗樣品 (圖1)，并用千分尺在X，Y和Z軸方向進(jìn)行測量。Z軸方向上由于兩層疊加使得樣品高度達(dá)到0.66毫米。樣品被放在一個小的藍(lán)寶石基座上，使用平探頭對樣品施加微小力，這樣不僅能消除由探頭引起的樣品變形帶來的誤差，也免去了對樣品進(jìn)行預(yù)處理的步驟 (見圖1，扣除基線來消除基座的影響)。
圖1.樣品幾何形狀(點擊查看大圖)
通常情況下，只進(jìn)行一次升溫并通過位移曲線來獲得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；如有特殊要求，需對樣品進(jìn)行二次升溫，并從二次升溫的曲線上得到玻璃化轉(zhuǎn)變兩側(cè)的熱膨脹系數(shù)。通常來說，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是與模量降低和熱膨脹系數(shù)CTE增加相關(guān)的分子運動的起點。由TMA得到的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg是高于這個區(qū)域和低于這個區(qū)域的膨脹數(shù)據(jù)的外推直線交點。如圖2所示。
圖2.PC芯片Z軸方向分析(點擊查看大圖)
爆板時間
在此樣品的Z軸尺寸上的測試是按照IPC-TM-650第2.4.24.1條規(guī)定進(jìn)行的，即分層時間測試方法1實驗。在這個實驗中，將如圖1所示的樣品加熱到265℃，然后進(jìn)行等溫直到樣品結(jié)構(gòu)破壞(俗稱“爆板”)，數(shù)據(jù)如圖 3所示。
圖3.層結(jié)構(gòu)破壞(“爆板”)時間測試(點擊查看大圖)
TMA 4000為靈敏的熱膨脹系數(shù)分析而優(yōu)化
• 受控制的溫度，高靈敏度的位置傳感器提供了最大的靈敏度
• 懸浮阻尼探頭將環(huán)境噪音干擾降到最低，并保護石英附件
• 深爐體牢固并減小溫度梯度
• 為常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)化測試設(shè)計的軟件
0.33毫米厚PC板的XY軸向的熱膨脹系數(shù)
PC芯片在XY平面的膨脹測試同樣使用IPC實驗方法：2.4.41電子絕緣材料的線性熱膨脹系數(shù)，該方法基于ASTM方法D696，適用于較小尺寸樣品1。同樣，樣品在分析前沒有經(jīng)過任何化學(xué)清洗或者浸蝕處理。在膨脹模式下測試，不需要基線扣除。圖4所示是XY平面的熱膨脹系數(shù)CTE和玻璃化轉(zhuǎn)變Tg的分析結(jié)果。不明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，表明玻璃纖維填料(同樣還有涂層)抑制線路板膨脹卓有成效。
圖4.PC芯片XY軸方向膨脹(點擊查看大圖)
聚酰亞胺柔性電路基片
聚酰亞胺（PI）是耐高溫塑料，可用于電路板之間的柔性連接。導(dǎo)電通路可以印刷在其上，不容易發(fā)生性能劣化，并且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高，意味著材料在很寬的溫度區(qū)間內(nèi)尺寸穩(wěn)定。本實驗采用的標(biāo)準(zhǔn)方法是：IPC-TM-650 2.4.24.5用于高密度內(nèi)接（HDI）和微盲孔材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱膨脹-TMA方法1。
將30微米厚的聚酰亞胺膜樣品細(xì)條用刀片沿縱向和橫截面裁切。采用特殊裝樣夾具確保樣品平直加持沒有皺褶，以拉伸模式對每個樣進(jìn)行分析(樣品幾何形狀類似圖5)。
圖5.薄膜樣品以拉伸模式安裝
樣品通過反復(fù)加熱保證熱狀態(tài)穩(wěn)定，分析結(jié)果見圖6，測試CTE之前已扣除了基線從而消除裝樣夾具的膨脹影響(基線來自于與爐體材質(zhì)膨脹系數(shù)相同的石英樣品測試結(jié)果)。
圖6.聚酰亞胺薄膜縱向的熱膨脹系數(shù)和玻璃化轉(zhuǎn)變(點擊查看大圖)
圖7所示是聚酰亞胺采用相同實驗條件測試的數(shù)據(jù)，但這次分析的樣品是從與縱向垂直的方向上裁切的。
圖7.聚酰亞胺薄膜橫截面方向的熱膨脹系數(shù)(點擊查看大圖)
總結(jié)
使用TMA 4000及對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方法對電子工業(yè)的困難樣品進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示TMA 4000可以簡便而精確地進(jìn)行測量。TMA 4000采用的技術(shù)提供了經(jīng)得起考驗的靈敏度、可靠性和低維護成本。
參考文獻(xiàn)
1《IPC-TM-650 測試方法手冊》，電子線路內(nèi)接和包裝研究所，桑德斯路2215號，諾斯布魯克，伊利諾伊 60062-6135。
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