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(CTE)。針對玻璃化轉變溫度、熱膨脹系數變化的溫度拐點、樣品軟化和應力釋放效應的產生，均有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評估升溫過程中材料規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
數據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
熱膨脹系數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。通常來說，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。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”)，數據如圖 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
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，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的分析結果。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。
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間內尺寸穩定。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穩定，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據，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(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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