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材料視界 | TMA 4000在電子工業(yè)領域中使用標準測試方法的應用

來源:珀金埃爾默企業(yè)管理(上海)有限公司 更新時間:2025-09-18 18:15:22 閱讀量:180
導讀:材料視界 | TMA 4000在電子工業(yè)領域中使用標準測試方法的應用

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)。針對玻璃化轉變溫度、熱膨脹系數(shù)變化的溫度拐點、樣品軟化和應力釋放效應的產(chǎn)生,均有成熟可靠的標準測試方法。對于層狀復合產(chǎn)品,TMA相應的測試方法可以評估升溫過程中材料規(guī)整層狀結構破壞所需時間。


TMA 4000的設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。本文提供了這些標準方法的一些測試案例。

TMA 4000



01

實驗部分

數(shù)據(jù)測試均采用以下標準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測量玻璃化轉變溫度和Z軸的熱膨脹”作為標準1。該標準方法要求多層復合線路板樣品的高度至少要達到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軸方向進行測量。Z軸方向上由于兩層疊加使得樣品高度達到0.66毫米。樣品被放在一個小的藍寶石基座上,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,也免去了對樣品進行預處理的步驟 (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,只進行一次升溫并通過位移曲線來獲得玻璃化轉變溫度;如有特殊要求,需對樣品進行二次升溫,并從二次升溫的曲線上得到玻璃化轉變兩側的熱膨脹系數(shù)。通常來說,玻璃化轉變溫度是與模量降低和熱膨脹系數(shù)CTE增加相關的分子運動的起點。由TMA得到的玻璃化轉變溫度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℃,然后進行等溫直到樣品結構破壞(俗稱“爆板”),數(shù)據(jù)如圖 3所示。

圖3.層結構破壞(“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)標準化測試設計的軟件


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和玻璃化轉變Tg的分析結果。不明顯的玻璃化轉變區(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,并且玻璃化轉變溫度高,意味著材料在很寬的溫度區(qū)間內尺寸穩(wěn)定。本實驗采用的標準方法是:IPC-TM-650 2.4.24.5用于高密度內接(HDI)和微盲孔材料的玻璃化轉變溫度和熱膨脹-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


樣品通過反復加熱保證熱狀態(tài)穩(wěn)定,分析結果見圖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膨脹系數(shù)相同的石英樣品測試結果)。

圖6.聚酰亞胺薄膜縱向的熱膨脹系數(shù)和玻璃化轉變(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

使用TMA 4000及對應的標準方法對電子工業(yè)的困難樣品進行了分析,結果顯示TMA 4000可以簡便而精確地進行測量。TMA 4000采用的技術提供了經(jīng)得起考驗的靈敏度、可靠性和低維護成本



參考文獻



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


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