背景：

熱膨脹引起的尺寸錯(cuò)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(jī)械分析(TMA)長(zhǎng)期以來(lái)應(yīng)用于測(cè)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(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熱膨脹系數(shù)變化的溫度拐點(diǎn)、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(cè)試方法。對(duì)于層狀復(fù)合產(chǎn)品，TMA相應(yīng)的測(cè)試方法可以評(píng)估升溫過(guò)程中材料規(guī)整層狀結(jié)構(gòu)破壞所需時(shí)間。TMA 4000的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化了上述測(cè)試過(guò)程，非常適用于測(cè)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(cè)試案例。

TMA 4000實(shí)驗(yàn)部分：

數(shù)據(jù)測(cè)試均采用以下標(biāo)準(zhǔn)TMA測(cè)試程序：

· 氮?dú)獯祾撸?/span>

· 5或10℃/分鐘的加熱速率；

· 通過(guò)循環(huán)冷卻水控制爐體冷卻槽溫度在15℃。

測(cè)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(cè)試信號(hào)與被分析的樣品的高度成正比，因此測(cè)量只有0.33毫米高樣品的膨脹對(duì)TMA的靈敏度有很高的要求。實(shí)驗(yàn)中使用IPC-TM-650 2.4.24c-“用TMA測(cè)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(yàn)樣品（圖1），并用千分尺在X，Y和Z軸方向進(jìn)行測(cè)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(gè)小的藍(lán)寶石基座上，使用平探頭對(duì)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(lái)的誤差，也免去了對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理的步驟（見(jiàn)圖1，扣除基線來(lái)消除基座的影響）。

圖1. 樣品幾何形狀

通常情況下，只進(jìn)行一次升溫并通過(guò)位移曲線來(lái)獲得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；如有特殊要求，需對(duì)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(lái)說(shuō)，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(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)。由TMA得到的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg是高于這個(gè)區(qū)域和低于這個(gè)區(qū)域的膨脹數(shù)據(jù)的外推直線交點(diǎn)。如圖2所示。

圖2. PC芯片Z軸方向分析

爆板時(shí)間：

在此樣品的Z軸尺寸上的測(cè)試是按照IPC-TM-650第2.4.24.1條規(guī)定進(jìn)行的，即分層時(shí)間測(cè)試方法1實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)間測(cè)試

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(cè)試同樣使用IPC實(shí)驗(yàn)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(méi)有經(jīng)過(guò)任何化學(xué)清洗或者浸蝕處理。在膨脹模式下測(cè)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

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(shí)驗(yàn)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(méi)有皺褶，以拉伸模式對(duì)每個(gè)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(guò)反復(fù)加熱保證熱狀態(tài)穩(wěn)定，分析結(jié)果見(jiàn)圖6，測(cè)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(lái)自于與爐體材質(zhì)膨脹系數(shù)相同的石英樣品測(cè)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

圖7所示是聚酰亞胺采用相同實(shí)驗(yàn)條件測(cè)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)

使用TMA 4000及對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)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(jiǎn)便而精確地進(jìn)行測(cè)量。TMA 4000采用的技術(shù)提供了經(jīng)得起考驗(yàn)的靈敏度、可靠性和低維護(hù)成本。

參考文獻(xiàn)：

1. 《IPC-TM-650 測(cè)試方法手冊(cè)》，電子線路內(nèi)接和包裝研究所，桑德斯路2215號(hào)，諾斯布魯克，伊利諾伊 60062-6135。