TMA 4000 在電子工業領域中使用標準測試方法的應用

背景：電子線路板的主要破壞原因之一是由熱膨脹 引起的問題。要防止這種情況發生，電子工 程師采用熱導體來發散熱量，用低膨脹性 材料來配合低膨脹率的硅片和陶瓷絕緣體的 使用 。熱機械分析 (TMA) 長期以來應用于 測量線路板、電子元件和組成材料的熱膨脹 (CTE)。針對玻璃化轉變溫度、熱膨脹系數變化的點、樣品 軟化和應力釋放效應的發生，已經建立起成熟可靠的標準測 試方法。對于層狀復合產品，TMA 相應的測試方法可以確定 在評估升溫過程中材料的分層所需時間。 TMA4000 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。本應用文章提供了這些標準方法 的一些案例。

實驗部分：下面的數據是采用標準 TMA 測試程序獲得：氮 氣吹掃氣，5 或者 10℃ / 分鐘的加熱速率，通 過冷卻水循環器控制爐子的冷卻槽溫度控制在 15℃。

TMA4000 為靈敏的熱膨脹系數分析而優化 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 懸浮阻尼探頭將環境噪音的誤差降到低，且 保護了石英附件 高外形的爐子牢固并使得溫度梯度的減小 為常規標準化測試設計的軟件

結果：0.33 毫米厚的 PC 板的 Z 軸熱膨脹系數 熱膨脹系數 CTE 的信號與被分析的樣品的高度 成正比，因此測量只有 0.33 毫米高的樣品的膨 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 。該實驗設計要 求多層復合線路板樣品的高度至少要達到 0.5 毫 米以上 。在多層 PCB 線路板上的一角切取一小 塊作為試驗樣品 （圖 1）。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 0.66 毫米。樣品被放在一個小的 藍寶石基座上，用平的探頭對樣品施加力的作 用，這樣一來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）。

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。玻璃化轉變溫度是 與模量降低和熱膨脹系數 CTE 增加相關的分子 運動的起點。這個由 TMA 得到的玻璃化轉變溫 度 Tg 是高于這個區域和低于這個區域的膨脹數 據的直線的交點。如圖 2 示。

0.33 毫米厚的 PC 板的 XY 軸向的熱膨 脹系數 PC芯片在XY平面的膨脹同樣使用 IPC 實驗方法： 2.4.41 電子絕緣材料的線性熱膨脹系數，該方法 基于 ASTM 方法 D696 適用于較小尺寸樣品 1 。同 樣，樣品在分析之前沒有經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 CTE 和玻璃化 轉變 Tg 分析。不明顯的玻璃化轉變區，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。

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，同時 在性能劣化方面它是穩定的。并且，玻璃化轉變 溫度高，意味著尺寸穩定性可以預料，直到那個 溫度才會降低 。本實驗采用的標準方法是：IPCTM-650 2.4.24.5 用于高密度內接（HDI）和微盲孔 的材料的玻璃化轉變溫度和熱膨脹 -TMA 方法 1 。 

取自 30 微米厚的聚酰亞胺膜樣品細條用刀片沿 縱向和橫截面相裁切。在采用一個特殊裝樣夾具 確保直線安裝沒有皺褶后，以拉伸模式對每個樣 都進行了分析（幾何形狀與圖 5 類似）。樣品通 過反復加熱保證熱狀態來加熱到較高溫度以固 定 聚合物。熱狀態穩定后的分析見圖 6，在確定 熱膨脹系數 CTE 之前已扣除了基線來消除裝樣 夾具的膨脹影響。基線測量是通過對一個與爐子 支撐膨脹系數相符的熔凝石英樣品進行測試來 實現的。

圖 7 所示是聚酰亞胺采用相同實驗條件測試的數 據，但這次分析的樣品是從與縱向垂直的方向上 裁切的。

總結：來自電子工業的具有挑戰性樣品用 TMA4000 和 標準方法進行了分析。結果顯示 TMA4000 可以 簡便而精確地進行測量。TMA4000 采用的技術為 您提供經得起時間考驗的靈敏度、可靠性和低維 護成本。

參考文獻： 《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。