印刷电路板中玻璃化转变温度检测方案(热膨胀仪)

热分析技术在印刷电路板行业的应用（上） 肖杰 朱明峰 徐梁 耐驰科学仪器商贸（上海）有限公司 应用实验室 前言： PCB（Printed Circuit Board）中文名称为印刷电路板，是重要的集成电路、电子元器件的承载体，主要材料为覆铜板，覆铜板是由基板、铜箔和粘合剂构成的。基板是由高分子合成树脂和增强材料组成的绝缘层板，在基板的表面覆盖着一层导电率较高、焊接性良好的纯铜箔，使用粘合剂将基板和铜箔压制而成。印刷电路板在实际的使用过程中有如下要求： 合适的结构硬度和强度，考虑到基板的机械加工特性和结构稳定性； 较低的热膨胀和优异的尺寸稳定性，由于PCB板材是各向异性的，因此在各个不同方向（X、Y、Z）的热膨胀系数是不同的； 足够高的玻璃化转变温度，因为当树脂发生玻璃化转变后，整个PCB板材的力学性能和介电性能都会发生较大的偏移； 较高的耐热稳定性，由于焊料加工和实际使用过程中的热聚集，容易使树脂发生热分解，而这种分解常常伴随气体的逸出而造成整个PCB板材的分层，破坏结构； 阻燃性能，高性能的 FR4标准板具有较好的阻燃性能； 散热性，避免局部热量积聚，影响基板和电子元件的工作稳定性； 热分析技术是表征材料性质（如质量、比热、尺寸、模量等）与温度（或时间）之间变化关系的一组技术，可全面分析材料的热稳定性、物理机械性能、组分分析、失效分析、质量控制等，对材料的研究开发和生产控制都具有十分重要的实际意义。对于印刷电路板，使用热分析技术，可以针对其中几项应用要求测定相应的性能参数。 应用要求 热分析仪器 测定参数 较低热膨胀 DIL/TMA 线性膨胀系数 较高玻璃化转变温度 DSC、DIL/TMA 玻璃化转变温度 耐热稳定性 TG 热裂解温度 基板分层 DIL/TMA 爆板时间 良好的散热性 LFA 热扩散系数、导热系数 合适的机械特性 DMA 储能模量、损耗因子 实验设备： Netzsch DIL 402PC、DSC 200F3、TG 209F1、LFA 447、DMA 242C 实验部分： 1.热膨胀系数测定 Netzsch DIL 402PC 在一定的温度程序、负载力接近于零的情况下，测量样品的尺寸变化随温度或时间的函数关系。主要用于检测线膨胀与收缩、玻璃化温度、烧结过程、软化点检测、相转变过程等。 图1. 热膨胀仪DIL402 PC测量线膨胀系数 使用热膨胀仪可测得样品在一定温度内的平均膨胀系数(工程α系数)， 如图1所示（具体测试方法遵照标准IPC-TM-650 2.4.24.C），该板材在经历第一次升温时在130℃左右发生收缩，此过程对应为板材的应力松弛；从第二次升温曲线得到了较为规整的PCB板材热膨胀曲线，各温度段的平均膨胀系数分别列举如下： a）25℃～100℃ 范围内27.9119×10-6 K-1； b）150℃～250℃ 范围内236.5398×10-6 K-1； c）25℃～250℃ 范围内143.4659×10-6 K-1； 2.玻璃化转变温度测试 PCB基板树脂软化时，整个 PCB 的力学性能和介电性能都会发生较大的偏移，因此，准确测得树脂软化温度（即树脂玻璃化转变温度）在实际应用中具有重大意义。 差示扫描量热法（DSC）为使样品处于程序控制的温度下，观察样品和参比物之间的热流差随温度或时间的函数。主要应用方面包括测量玻璃化转变、熔融-结晶、共熔温度、纯度、多晶型、相容性、热稳定性、氧化稳定性、反应动力学、热力学函数、液相-固相比例、比热等。在玻璃化转变前后样品比热发生特征性变化，在DSC图谱上显示为台阶状曲线，如下图2所示： 图2. 差示扫描量热仪DSC200 F3测量玻璃化转变温度 PCB板材玻璃化转变DSC测试遵照标准IPC-TM-650 2.4.25 C，该板材经历第一次升温时在其玻璃化转变区域内叠加了应力松弛峰，玻璃化温度为127.8℃；而经历第二次升温后可以得到形状规则的玻璃化转变温度为127.5℃。 利用热膨胀仪按照标准IPC-TM-650 2.4.24.C测试PCB板材的玻璃化转变温度，如图3所示。该板材在经历第一次升温时在133.3℃左右发生收缩，为板材的应力松弛；从第二次升温曲线得到了明显的玻璃化转变温度为125.0℃。 图3. 热膨胀仪DIL402 PC测量玻璃化转变温度 由DSC测得玻璃化转变温度为127.5℃，而由DIL测得玻璃化转变温度为125.0℃，两者差异主要原因是两类仪器在判定玻璃化转变所依据的物理量是不同的。DSC是根据材料随温度变化比热出现“台阶式”变化来判定；而DIL是根据材料随着温度变化膨胀系数出现“拐折式”突变来判断，所以两者测量结果并不完全相同，但本案例测得的两组数据是比较接近的。 3.耐热稳定性测定 对PCB基板进行耐热稳定性的考察可以使用热重分析仪测试材料的热分解温度，同时可以得到材料在不同分解程度下所对应的分解温度。热重分析法（TG）是在可控的温度程序下观察样品的质量随温度或时间的变化关系，主要应用于检测材料的质量变化、热稳定性、分解温度、组分分析、氧化、还原等。 图4. 热重TG209 F1测量PCB分解过程 使用热重检测PCB基板的热分解过程，如图谱4所示。该板材的热分解起始参考温度为323.4℃，在330℃时失重速率达到最快，此时板材热分解反应最为剧烈，339.0℃可作为材料分解的终止参考温度，整体失重比例达到31.02%，残余量为68.98%。 同样使用热重分析仪TG也可以得到材料在不同分解程度下所对应的分解温度，具体测试程序按照标准IPC-TM-650 2.4.24.6，结果如图5所示。经过110℃恒温除湿24h后，PCB板材在分解失重达到2%和5%时，所对应的分解温度分别为： 失重2%时的热分解温度Td为310.2℃ 失重5%时的热分解温度Td为313.4℃ 图5. PCB分解2% & 5%时的对应温度 4. 爆板时间测试 PCB板材在实际加工和应用场合，外部环境和内耗产生的热量积聚会导致局部温度升高，高温会引起基板树脂的软化、分解，最终导致基板发生分层、爆板等现象，所以在PCB基板的设计、生产和使用过程中，了解其耐热性能和爆板时间，对比不同工艺配方材料之间的性能差异，也是十分必要的。在此，使用DIL402 PC可以快速检测PCB基板的爆板时间，具体测试程序按照标准IPC-TM-650 2.4.24.1，详细结果如图6、7所示： 图6. 热膨胀仪DIL402 PC测量爆板时间（目标温度T=260℃） 图7. 热膨胀仪DIL402 PC测量爆板时间（目标温度T=288℃） 如图6所示，在260℃下恒温得到的爆板时间T260为19.4min，在升温段中出现一个收缩台阶对应为板材的内部应力松弛过程，同时也掩盖了在其区域内发生的玻璃化转变过程。 图7为板材在288℃下的恒温测试曲线，根据图谱可以得到的恒温起始时间和出现不可逆变化（如树脂分解、层板分离）的起始时间，那么可以计算出在288℃下恒温的爆板时间T288为3.9min，同样在动态升温段内也出现了类似T260的应力松弛过程。