TMA法測試印制板玻璃化溫度的影響因素探討

王瓔琰 張永華 周 瑩

（無錫江南計算技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214083）

0 前言

覆銅箔板是由樹脂、玻纖布和銅箔所組成的復(fù)合物，其中樹脂是對覆銅箔板的熱膨脹系數(shù)影響最重要的因素。樹脂在常溫下為玻璃態(tài)，但它在被加熱的情況下，會由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)（橡膠態(tài)），此時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，簡稱玻璃化溫度（Tg）?；牡哪蜔嵝?、耐濕性、耐化學(xué)藥品性、尺寸的穩(wěn)定性均與玻璃化溫度有關(guān)，因此準(zhǔn)確測量印制板的玻璃化溫度無論是在材料性能檢驗或產(chǎn)品質(zhì)量管控中都具有重要意義。

玻璃化溫度不是一個固定的值，而是材料特性產(chǎn)生變化的一段區(qū)間，其測量結(jié)果與采用的測試方法，以及測試過程中的試驗條件都存在相關(guān)性。本文將通過使用TMA法測量成品印制板的玻璃化溫度，分別考察下列三個因素對測量結(jié)果的影響：升溫速率、探頭負(fù)荷、樣品狀態(tài)。

1 TMA法測量Tg的基本原理

熱機(jī)械分析法（TMA）是指在程序控溫條件下（等速升溫、降溫、恒溫或循環(huán)溫度），在受非震蕩性的負(fù)荷下（如靜態(tài)負(fù)荷）通過量測材料的尺寸變化，從而表征材料隨溫度、時間、力等發(fā)生膨脹或收縮的行為。在印制板行業(yè)，TMA法可用來測量玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熱膨脹系數(shù)（CTE）、熱膨脹百分率PTE（50℃～260℃）和熱分層時間（T260、T288、T300）等。

熱機(jī)械分析儀探頭由固定在其上面的懸臂梁和螺旋彈簧支撐，實驗時通過加馬力馬達(dá)對試樣施加載荷。當(dāng)試樣長度（即試樣管和探頭的相對位置）發(fā)生變化時，差動變壓器檢測到此變化，則連同溫度、應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，由TMA中央處理機(jī)收集后送到TMA工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繪制出“溫度—尺寸變化”曲線圖（如圖1）。圖1中，A-B段的斜率為材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度前的熱膨脹系數(shù)，用α1表示；C-D段的斜率為材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后的熱膨脹系數(shù)，用α2表示。兩條線的交點對應(yīng)的溫度為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。溫度“A”應(yīng)在室溫以上選擇；溫度“B”和“C”應(yīng)在曲線直線部位選擇，且應(yīng)分別低于和高于轉(zhuǎn)變區(qū)溫度；溫度“D”代表感興趣的溫度（如焊接溫度）。

圖1 TMA 法測試曲線圖

2 實驗設(shè)計

2.1 樣品型號

待測樣品選擇用生益科技S1000-2型基材生產(chǎn)的PCB成品。生益科技公司的基材手冊中列出S1000-2的Tg、Z-CTE（Z軸熱膨脹系數(shù)）的參考值（見表1）。

表1 S1000-2部分性能指標(biāo)

2.2 設(shè)備

儀器型號為美國TA公司TMA Q400。

2.3 實驗條件

（1）吹掃氣體：N2；

（2）氣體流速：100 mL/min；

（3）升溫速率：5℃/min～30℃/min；

（4）施力大?。?.01 N～0.1 N。

2.4 樣品制作和預(yù)處理

在樣品內(nèi)、外層均無金屬層且無阻焊的區(qū)域上取樣，樣品尺寸6.35 mm×6.35 mm。用銑刀/銑機(jī)進(jìn)行裁切后，為減少產(chǎn)生的殘余應(yīng)變，先后采用400#、600#、800#和1500#砂紙及大量的流水細(xì)磨樣品邊緣來釋放內(nèi)應(yīng)力，然后在105℃±2℃烘箱中至少放置2±0.25 h，取出后在干燥箱中冷卻至室溫。預(yù)處理后的待測樣品（如圖2）。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 升溫速率

選擇樣品厚度方向（Z軸）進(jìn)行測定，探頭施加0.05 N的負(fù)荷。分別在5℃/min、10℃/min、20℃/min、30℃/min這4種不同升溫速率下將樣品從室溫升高至280℃，分析整理實驗曲線，升溫速率對玻璃化溫度的影響（如圖3），測試結(jié)果（見表2）。

圖2 待測樣品實物圖

圖3 不同升溫速率的TMA曲線

表2 不同升溫速率下的Tg和Z-CTE

由表2中的實驗數(shù)據(jù)可知，升溫速率不同，玻璃化溫度和熱膨脹系數(shù)都會存在明顯的差異性，其中隨著升溫速率的升高，玻璃化溫度也會升高。這是因為升溫速率過快，樹脂這種高聚物的反應(yīng)會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，鏈段在應(yīng)有的玻璃化溫度（Tg）時來不及運動，其觀察時間會比低升溫速率下的觀察時間更短，因此在高升溫速率下測得的玻璃化溫度會更高。建議采用較慢的升溫速率來防止熱滯后現(xiàn)象，但適度提高升溫速率又會提高測試的靈敏度，兩者存在一定的矛盾性，IPC-TM-6502.4.24C中采用的升溫速率為10℃/min。

3.2 負(fù)荷大小

選擇樣品厚度方向（Z軸）進(jìn)行測定，升溫速率：10℃/min，探頭分別選擇施加0.01 N、0.025 N、0.05 N和0.075 N這4種不同的負(fù)荷，將樣品從室溫升高至280℃。分析整理實驗曲線，探頭負(fù)荷大小對玻璃化溫度的影響（如圖4），測試結(jié)果（見表3）。

由表3可以看出，當(dāng)施加負(fù)荷大小不同時，玻璃化溫度和熱膨脹系數(shù)會有小量的差異，并且隨著施加負(fù)荷的增加，玻璃化溫度測量結(jié)果會逐漸增大。通常實驗時為了防止過量負(fù)荷導(dǎo)致樣品的穿破或變形，會施加一個較小的負(fù)荷（例如0.01 N），但是當(dāng)探頭施加在樣品上的力較弱時，TMA曲線會出現(xiàn)“跳舞”的現(xiàn)象（如圖5）。這種現(xiàn)象是由于負(fù)荷過小，探頭在升溫過程中出現(xiàn)振動引起的，為避免此現(xiàn)象，可以適當(dāng)提高施加負(fù)荷的大小，最大可達(dá)0.1 N。IPC-TM-6502.4.24C中建議起始負(fù)荷為0.05 N，實驗時可根據(jù)不同的材料類型或樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以保證探頭、試樣和平臺三者間的緊密接觸。

圖4 不同探頭負(fù)荷下的TMA曲線

3.3 樣品狀態(tài)

因為TMA是測量樣品形變的儀器，所以樣品本身的狀態(tài)對測試也很重要，本實驗為驗證樣品狀態(tài)對測試結(jié)果的影響，分別從樣品有/無阻焊，樣品內(nèi)/外層有無銅箔這兩方面分別進(jìn)行實驗分析。

3.3.1 有/無阻焊

當(dāng)基板的環(huán)境溫度高于Tg時，樹脂處于高彈態(tài)，它所具有的動能雖不足以使主鏈進(jìn)行移動，但主鏈上的一些單鏈、支鏈卻可以旋轉(zhuǎn)，使鏈段發(fā)生滑移甚至卷曲，因此表現(xiàn)出基板材料在這段溫度區(qū)間內(nèi)形變率增大，厚度明顯增加，加之其內(nèi)應(yīng)力也在明顯增大，共同為分層或爆板現(xiàn)象的產(chǎn)生提供了動力因素。在分析印制板爆板或分層原因時，測試失效樣品的Tg值十分必要。但通常情況下，失效樣品均為成品印制板，已印有阻焊，因此本實驗選取無阻焊、帶阻焊和不同阻焊處理的四種樣品進(jìn)行實驗，來驗證有/無阻焊對TMA法測量印制板的玻璃化溫度的影響情況。

表3 不同探頭負(fù)荷下的Tg和Z-CTE

圖5 “跳舞”的TMA曲線

實驗選擇樣品厚度方向（Z軸）進(jìn)行測定，升溫速率：10℃/min，探頭施加負(fù)荷：0.05 N，分別將四種不同樣品從室溫升高至280℃。分析整理實驗曲線，有/無阻焊對玻璃化溫度的影響（如圖6），測試結(jié)果（見表4）。

由表4中的測試數(shù)據(jù)可知：帶阻焊樣品和采用化學(xué)藥水褪去阻焊的樣品，相比無阻焊樣品或采用機(jī)械研磨的方法去除阻焊的樣品，玻璃化溫度的測量結(jié)果會略微偏大。測試成品印制板的Tg主要是指測試基材中樹脂的Tg，所以在失效分析時應(yīng)優(yōu)先選擇無阻焊的樣品，例如可以請印制板廠家提供不帶阻焊的同批次樣品，或者選擇阻焊開窗的區(qū)域，也可以用適宜的方式去除阻焊后再取樣測試。

圖6 不同阻焊處理的TMA曲線

3.3.2 內(nèi)/外層有無銅箔

為減少印制板的翹曲和增加尺寸穩(wěn)定性，多層板每一層內(nèi)的導(dǎo)線分布應(yīng)盡量平衡，導(dǎo)線分布的密度盡量遍及整塊印制電路板，因此印制電路板在設(shè)計時，會在沒有導(dǎo)線的空地方設(shè)計許多孤立的銅圓點、方塊或者網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)對失效印制板進(jìn)行Tg測試時，往往在失效樣品上找不到內(nèi)、外層均無金屬層的適宜測試區(qū)域，因此本實驗通過比對內(nèi)/外層無銅；僅外層含銅；內(nèi)/外層均含銅這三種樣品的實驗數(shù)據(jù)，來驗證內(nèi)/外層含銅對玻璃化溫度的影響。實驗選擇樣品厚度方向（Z軸）進(jìn)行測定，升溫速率：10℃/min，探頭施加負(fù)荷：0.05 N，將三種不同樣品從室溫升高至280℃。分析整理實驗曲線，內(nèi)/外層有無銅對玻璃化溫度的影響（如圖7），測試結(jié)果（見表5）。

由表5中測試結(jié)果可知：僅外層含銅，以及內(nèi)/外層均含銅的樣品Tg測量結(jié)果明顯比內(nèi)/外層均無銅的樣品要小。從化學(xué)結(jié)構(gòu)角度分析，決定高聚物玻璃化溫度的主要因素有兩個：鏈本身的柔順性和高分子間的作用力，高分子鏈的柔順性越高，高分子間作用力越小，高聚物的Tg越低。而銅作為良好的導(dǎo)熱體，客觀上會使高分子鏈間的作用力減弱，從而使高分子鏈更易運動，導(dǎo)致Tg偏低。樣品內(nèi)外層有銅會導(dǎo)致Tg測試結(jié)果明顯偏低，所以進(jìn)行失效分析時，需要特別注意選擇的樣品內(nèi)/外層均不應(yīng)含有銅箔。

表4 不同阻焊處理的Tg和Z-CTE

圖7 內(nèi)/外層有無銅情況下的TMA曲線

表5 內(nèi)/外層有無銅情況下的Tg和Z-CTE

4 結(jié)論

（1）升溫速率是TMA法測試印制板玻璃化溫度的重要影響因素，隨著升溫速率加快，可以提高測試靈敏度，但同時產(chǎn)生的熱滯后現(xiàn)象會更為明顯，玻璃化溫度的測量結(jié)果也會更高。

（2）用TMA法測試印制板玻璃化溫度時，探頭負(fù)荷不宜過高，以免發(fā)生樣品的穿破或變形，但過低的負(fù)荷又容易產(chǎn)生測試曲線“跳舞”的現(xiàn)象。建議起始負(fù)荷為0.05 N，可根據(jù)樣品不同的材料類型或結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證探頭、樣品和平臺三者間的緊密接觸。

（3）用TMA法測試印制板玻璃化溫度時，優(yōu)先選用不帶阻焊的試樣，或者選取適宜的方式將阻焊去除后再取樣測試。

（4）用TMA法測試印制板玻璃化溫度時，樣品內(nèi)/外層含銅會導(dǎo)致測試結(jié)果偏低。