FR-4型覆銅板動態力學參數測量及影響分析

黃 璇，趙 威，楊 婷，劉 芳

FR-4型覆銅板動態力學參數測量及影響分析

黃 璇，趙 威，楊 婷，劉 芳*

（武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430200）

以FR-4型覆銅板為試驗對象，開展不同條件下其儲能模量、損耗模量、損耗因子和玻璃化轉變溫度的動態力學參數測試，研究了溫度、掃描頻率、加載模式以及升溫速率對覆銅板動態力學參數的影響。結果表明：隨溫度升高，儲能模量趨勢是先慢慢減小最后急劇降低，而損耗模量和損耗因子隨溫度升高先增加再下降；掃描頻率越高，儲能模量越大，損耗因子峰值越高，玻璃化轉變溫度Tg也越高；三點彎曲測得的儲能模量大于雙懸臂梁模式；升溫速率增加，覆銅板的儲能模量減小，玻璃化轉變溫度Tg變高，損耗因子的峰值降低。

覆銅板；DMA；儲能模量；損耗模量；玻璃化轉變溫度；損耗因子

隨著電子產品的高密度化、集成化，對安裝電子元器件所必需的高性能電路基板-覆銅板的需求不斷擴大，特別是FR-4型覆銅板需求量占比非常大[1]，因此研究FR-4型覆銅板的動態力學性能具有重要意義。

動態力學分析儀是在程序控溫下，測量材料在振動條件下的動態力學參數隨溫度、頻率變化的一種儀器[2]。儲能模量E'表征材料的剛度，損耗模量E"反映粘彈性材料的粘性，損耗因子tanδ表征材料的阻尼系數，玻璃化轉變溫度Tg表征材料的耐熱性能。楊拓等[3]研究了升溫速率、樣品厚度對高Tg板儲能模量和玻璃轉化溫度的影響。韓寶坤等[4]測定了高聚物材料儲能模量和損耗模量隨頻率變化曲線。但是目前很少研究溫度、頻率、升溫速率和加載模式對FR-4型覆銅板動態力學參數的影響。

1 實驗

實驗儀器采用DMA+450動態熱機械分析儀。試樣是4塊長方體樣條的覆銅板，尺寸為長×寬×高=44×10×1mm。選用實驗模式為多頻-溫度-應變模式，測試條件如表1所示，溫度范圍分別為－55℃~125℃和－55℃~200℃，升溫速率分別為3℃/min、5℃/min，考慮試樣的模量范圍，加載方式選用雙懸臂梁和三點彎曲模式（三點彎曲模式所需靜態力30mN，雙懸臂梁模式無需靜態力），掃描頻率分別為0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz、10Hz，采用液氮降溫。

表1 四種不同測試條件

2 實驗結果與分析

2.1 FR-4型覆銅板的儲能模量E'分析

圖1（a）是試樣1在不同掃描頻率下的動態力學溫度譜，圖1（b）是試樣1和3在掃描頻率為1Hz時的動態力學溫度譜，圖1（c）是試樣3和4在掃描頻率為1Hz時的動態力學溫度譜。從圖1（a）可知，隨著掃描頻率的增加，試樣的儲能模量增加，其原因是，頻率較高時，對試樣施加應力的時間較短，試樣在短時間內對應力作出應變響應的應變比要比在頻率較低時和靜態下小得多，因此試樣的儲能模量在高頻下比在低頻下高。

圖1 不同測試條件對FR-4型覆銅板儲能模量的影響

從圖1（a）還可看出，除受頻率影響外，覆銅板儲能模量還受溫度的影響。隨著溫度升高，覆銅板的儲能模量逐漸降低，最后急劇減小，其原因是，溫度較低時，試樣處于玻璃態，分子運動能量低，不足以使大的運動單元-鏈段運動，只能使主鏈的鍵長和鍵角有微小的改變，此時的儲能模量較高，材料不易變形，隨著溫度升高，試樣進入高彈態，分子熱運動能量逐漸增加，鏈段運動被激發，儲能模量逐漸降低。

從圖1（b）可看出，隨著升溫速率加快，試樣的儲能模量下降，其原因是隨著升溫速率加快，材料小分子運動速率加快，應力松弛時間減少，松弛強度提高，即保證在一定應變的情況下，應力變小，故儲能模量變小。

覆銅板的儲能模量在不同的加載模式下差異較大，從圖1（c）可以看出，三點彎曲測得的儲能模量大于雙懸臂梁模式，其原因是，在試件相同的情況下，三點彎曲模式所需靜態力30mN，雙懸臂梁模式無需靜態力，所以三點彎曲的變形大于雙懸臂梁，回彈能力也大于雙懸臂梁，儲能模量表示材料的回彈性能，因此三點彎曲測得的儲能模量大于雙懸臂梁。

2.2 FR-4型覆銅板的損耗模量E"分析

圖2是試樣1、2、3和4在掃描頻率為1Hz時的動態力學溫度譜。可以看出，隨溫度升高，覆銅板損耗模量先增后減，在玻璃化轉變溫度Tg附近達到一個峰值，其原因是，在玻璃化轉變溫度Tg之前，分子鏈段運動被凍結，鏈段間的運動不必為克服摩擦力消耗能量，損耗模量較小，在玻璃化轉變溫度Tg之后，分子鏈段自由運動，鏈段運動所需克服的摩擦力不大，損耗模量較小，只有在玻璃化轉變溫度Tg范圍內，材料由玻璃態向高彈態轉變時，鏈段充分運動但又需要克服鏈段間的摩擦力，損耗模量達到其峰值。

圖2 FR-4型覆銅板損耗模量隨溫度變化曲線

2.3 FR-4型覆銅板的損耗因子tanδ分析

圖3 不同測試條件對FR-4型覆銅板損耗因子的影響

圖3（a）是試樣1在不同掃描頻率下的動態力學溫度譜，圖3（b）是試樣1和3在掃描頻率為1Hz時的動態力學溫度譜。從圖3（a）可以看出，頻率從0.5Hz到10Hz，頻率增加，損耗因子的峰值向高溫方向移動且峰值略有升高；隨著溫度升高，損耗因子先增后減，在玻璃化轉變溫度Tg附近達到一個峰值，損耗因子隨溫度升高的變化趨勢和損耗模量基本一致，變化原因也相同。

從圖3（b）可看出，損耗因子的峰值隨著升溫速率加快而降低，其原因是，在玻璃化轉變溫度Tg以下，試樣處于玻璃態，在玻璃化轉變溫度Tg以上，試樣處于橡膠態，升溫速率的加快會加大試樣內部和外部的溫度差，當試樣內部的溫度到達玻璃化轉變溫度Tg時，試樣外部已經處于橡膠態，或者說當試樣外部達到玻璃化轉變溫度Tg時，試樣內部還處于玻璃態。試樣在玻璃化轉變區時，分子鏈段的運動跟不上外力的變化，應變落后于應力，需要較高的內耗，而試樣處于橡膠態或者玻璃態時所需內耗較小，因此試樣內部和外部的內耗疊加變小，損耗因子隨之降低。

2.4 FR-4型覆銅板的玻璃化轉變溫度Tg分析

圖4 不同測試條件對FR-4型覆銅板玻璃化轉變溫度的影響

圖4（a）是試樣2在不同掃描頻率下的動態力學溫度譜，圖4（b）是試樣2和4在掃描頻率為1Hz時的動態力學溫度譜。Tg有三種定義方式[5]：儲能模量曲線上折點對應的溫度，損耗模量峰值對應的溫度，tanδ峰值對應的溫度，由此獲得的三個Tg值依次增高，常用tanδ峰值對應的溫度是作為玻璃化轉變溫度。

從圖4（a）可看出，隨著掃描頻率的增加，損耗因子的峰值向高溫方向移動且峰值略有升高，這意味著試樣的玻璃化轉變溫度Tg隨著頻率的升高而增加，在動態力學分析中，判斷運動單元是否自由運動，關鍵取決于運動的松弛時間與觀察時間之比[6]，即可以通過改變溫度來改變運動單元松弛時間τ或改變頻率來改變觀察時間（t=1/2πf）反映材料當前狀態。當t≈τ，材料發生玻璃化轉變，頻率f變高，觀察時間t變小，運動單元松弛時間τ變小。只有溫度相應升高，運動單元松弛時間才會變小，因此，頻率越高，發生玻璃化轉變的溫度越高。

從圖4（b）可看出，隨著升溫速率加快，玻璃化轉變溫度Tg升高，由時間－溫度等效原理可知：在相同的溫度范圍內，升溫速率的加快減少了溫度變化時間，即縮短了觀察時間，隨著溫度逐漸升高，運動單元松弛時間會降低到與觀察時間一致，試樣發生玻璃化轉變，而且升溫速率越高導致試樣內部和外部溫差越大，當試樣內部處于玻璃態時，實驗顯示試樣內部玻璃化轉變完成，使Tg增高。

3 結論

本文研究了溫度、掃描頻率、加載模式以及升溫速率對FR-4型覆銅板動態力學參數的影響規律，獲得如下結論：

（1）在所測試的頻率和溫度范圍內，隨溫度升高，儲能模量先緩慢降低，最后再急劇減小；損耗模量和損耗因子變化趨勢一致，隨溫度升高先慢慢減小，隨后出現峰值，再慢慢減小。

（2）在所測試的頻率和溫度范圍內，隨著升溫速率增加，試樣儲能模量變小，玻璃化轉變溫度Tg升高，損耗因子峰值降低。

（3）試樣在不同的加載模式下儲能模量存在差異，三點彎曲測得的儲能模量大于雙懸臂梁模式。

（4）試樣在溫度范圍為-55℃-200℃內，隨著掃描頻率增加，儲能模量增加，損耗因子的峰值向高溫方向移動且略有升高，即材料發生玻璃化轉變的溫度越高。

[1] 祝大同. 我國覆銅板用環氧樹脂消費量現況及對其品種的新需求[J]. 覆銅板資訊, 2015, (3):46-49.

[2] 季軒, 周麗華, 王偉，等. 纖維材料動態熱機械性能分析方法的研究[J]. 合成技術及應用, 2020, 35(1):58-60.

[3] 楊拓, 陳蓓. 不同因素對動態熱機械分析儀(DMA)測試結果的影響[J]. 印制電路信息, 2011, (A1)：19-23.

[4] 韓寶坤, 張婷婷, 曹曙明. 高聚物材料動態模量測量與分析[J]. 噪聲與振動控制, 2012, (5): 198-202.

[5] 過梅麗. 高聚物與復合材料的動態力學熱分析[M]. 北京：化學工業出版社，2002. 43-44.

[6] 呂玨, 馮捷敏. 測試條件對環氧樹脂損耗因子和玻璃化轉變溫度的影響[J]. 上海塑料, 2016, (02): 25-29.

Dynamic Mechanical Parameter Measurement and Influence Analysis of FR-4 Copper Clad Laminate

HUANG Xuan, ZHAO Wei, YANG Ting, LIU Fang

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

The dynamic mechanical parameters of FR-4 copper clad laminate are measured under different conditions, including storage modulus, loss modulus, loss factor and glass transition temperature. The effects of temperature, scanning frequency, loading mode and heating rate on dynamic mechanical parameters of copper clad laminate are studied. The results show that with the increase of temperature, the storage modulus decreases slowly and finally decreases sharply. The loss modulus and loss factor increase first and then decrease with the increase of temperature.The higher the scanning frequency, the higher the storage modulus, the higher the loss factor, and the higher the glass transition temperature Tg.The measured energy storage modulus of three-point bending is larger than that of the double-cantilever beam model. As the heating rate increases, the storage modulus of the copper clad laminate decreases, and the glass transition temperature Tg increases, The peak loss factor is reduced.

Copper clad laminate; DMA; storage modulus; loss modulus; glass transition temperature; loss factor

劉芳（1976-），女，教授，博士，碩士生導師，研究方向：振動沖擊分析與控制，電子封裝可靠性.

國家自然科學基金（51775388）.

TN41

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2095－414X(2020)06－0014－04