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合物，其中樹脂是對覆銅箔板的熱膨脹系數影響最重要的因素。樹脂在常溫下為玻璃態，但它在被加熱的情況下，會由玻璃態轉變為高彈態（橡膠態），此時所對應的轉變溫度稱為玻璃化轉變溫度，簡稱玻璃化溫度（Tg）。基材的耐熱性、耐濕性、耐化學藥品性、尺寸的穩定性均與玻璃化溫度有關，因此準確測量印制板的玻璃化溫度無論是在材料性能檢驗或產品質量管控中都具有重要意義。

玻璃化溫度不是一個固定的值，而是材料特性產生變化的一段區間，其測量結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果的影響：升溫速率、探頭負荷、樣品狀態。

1 TMA法測量Tg的基本原理

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

熱機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對試樣施加載荷。當試樣長度（即試樣管和探頭的相對位置）發生變化時，差動變壓器檢測到此變化，則連同溫度、應力和應變數據，由TMA中央處理機收集后送到TMA工作站進行數據分析，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變溫度前的熱膨脹系數，用α1表示；C-D段的斜率為材料玻璃化轉變溫度后的熱膨脹系數，用α2表示。兩條線的交點對應的溫度為玻璃化轉變溫度Tg。溫度“A”應在室溫以上選擇；溫度“B”和“C”應在曲線直線部位選擇，且應分別低于和高于轉變區溫度；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）的參考值（見表1）。

表1 S1000-2部分性能指標

2.2 設備

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）施力大小：0.01 N～0.1 N。

2.4 樣品制作和預處理

在樣品內、外層均無金屬層且無阻焊的區域上取樣，樣品尺寸6.35 mm×6.35 mm。用銑刀/銑機進行裁切后，為減少產生的殘余應變，先后采用400#、600#、800#和1500#砂紙及大量的流水細磨樣品邊緣來釋放內應力，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。預處理后的待測樣品（如圖2）。

3 實驗結果與分析

3.1 升溫速率

選擇樣品厚度方向（Z軸）進行測定，探頭施加0.05 N的負荷。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中的實驗數據可知，升溫速率不同，玻璃化溫度和熱膨脹系數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會出現滯后現象，鏈段在應有的玻璃化溫度（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 負荷大小

選擇樣品厚度方向（Z軸）進行測定，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種不同的負荷，將樣品從室溫升高至280℃。分析整理實驗曲線，探頭負荷大小對玻璃化溫度的影響（如圖4），測試結果（見表3）。

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

圖4 不同探頭負荷下的TMA曲線

3.3 樣品狀態

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

3.3.1 有/無阻焊

當基板的環境溫度高于Tg時，樹脂處于高彈態，它所具有的動能雖不足以使主鏈進行移動，但主鏈上的一些單鏈、支鏈卻可以旋轉，使鏈段發生滑移甚至卷曲，因此表現出基板材料在這段溫度區間內形變率增大，厚度明顯增加，加之其內應力也在明顯增大，共同為分層或爆板現象的產生提供了動力因素。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）進行測定，升溫速率：10℃/min，探頭施加負荷：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），測試結果（見表4）。

由表4中的測試數據可知：帶阻焊樣品和采用化學藥水褪去阻焊的樣品，相比無阻焊樣品或采用機械研磨的方法去除阻焊的樣品，玻璃化溫度的測量結果會略微偏大。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優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/外層有無銅箔

為減少印制板的翹曲和增加尺寸穩定性，多層板每一層內的導線分布應盡量平衡，導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計時，會在沒有導線的空地方設計許多孤立的銅圓點、方塊或者網絡。當對失效印制板進行Tg測試時，往往在失效樣品上找不到內、外層均無金屬層的適宜測試區域，因此本實驗通過比對內/外層無銅；僅外層含銅；內/外層均含銅這三種樣品的實驗數據，來驗證內/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）進行測定，升溫速率：10℃/min，探頭施加負荷：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/外層有無銅對玻璃化溫度的影響（如圖7），測試結果（見表5）。

由表5中測試結果可知：僅外層含銅，以及內/外層均含銅的樣品Tg測量結果明顯比內/外層均無銅的樣品要小。從化學結構角度分析，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，導致Tg偏低。樣品內外層有銅會導致Tg測試結果明顯偏低，所以進行失效分析時，需要特別注意選擇的樣品內/外層均不應含有銅箔。

表4 不同阻焊處理的Tg和Z-CTE

圖7 內/外層有無銅情況下的TMA曲線

表5 內/外層有無銅情況下的Tg和Z-CTE

4 結論

（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，但同時產生的熱滯后現象會更為明顯，玻璃化溫度的測量結果也會更高。

（2）用TMA法測試印制板玻璃化溫度時，探頭負荷不宜過高，以免發生樣品的穿破或變形，但過低的負荷又容易產生測試曲線“跳舞”的現象。建議起始負荷為0.05 N，可根據樣品不同的材料類型或結構進行調節，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/外層含銅會導致測試結果偏低。