关键词: 热机械分析、CTE、介电材料、印刷线路板 (PWB)
TA356-CN
我们开发了一个 TMA（热机械分析）测试方案，可应用该方案根据行业标准测试生成实用数据，用于比较不同介电材料及其对性能的影响。该方法结合了 PWB Inc. 开发的标准热方案，用于在组装和返工模拟后确定 Tg、CTE、热应力循环和分层时间。该方案通过使用各种热循环、升温速率和保持时间来实现。该方案具有三个不同的部分或区域。在 1 区中，测试模拟 IPC TM650 – 2.4.24.5 [高密度互连 (HDI) 和微孔中使用材料的玻璃化转变温度和热膨胀] 的热曲线。2 区模拟与无铅组装和返工相关的热偏移。3 区类似于 IPC 2.4.24.1 分层时间（TMA 方法）建立的 T260 方案，使用 100 °C/分钟的较快的升温速率。这三个区域如图 1 所示。
样品制备 – 虽然可使用包层和非包层的“c”级介电质；该测试通常在制造的印刷线路板 (PWB) 样品上进行，其中铜质接地层延伸至整个样品。样品被切割成约 6 毫米 x
6 毫米大小。以保持介电材料完整性的方式制备样品。将样品放置在平台上，定向测量平板的 z 轴膨胀（与内部玻璃纤维不处于同一平面）。
1 区 – 该初始部分具有几个功能；主要目标是在测量首个玻璃化转变 (Tg) 和热膨胀系数 (CTE) 前对样品进行减压并消除热历史。样品以 10 °C/分钟的加热速率和 20 °C/分钟的冷却速率从环境温度升至 200 °C，循环 3 次。使用表面探针，压力设置为 0.05 N。记录第 1 次循环中热膨胀随时间的形状。在第 2 次和第 3 次循环中测量 CTE 和 Tg。在 TMA 数据中，通过尺寸变化随斜率的变化检测 Tg。推断的该变化起始温度的测量即为 Tg。在每种情况下，CTE 均通过 Tg 前后数据的斜率进行测量。通过第 2 次和第 3 次循环间 Tg 的变化确定 Delta Tg。该区域的代表性数据见图 2。
样品的 CTE 反映了电路板在最终使用环境中所承受的应变。CTE 是包括铜、玻璃和环氧树脂在内的多种成分的组合。预计铜的层数越多，CTE 就越小。而高树脂结构则会增加 CTE。材料的 Tg 与印刷线路板的结构无关。如果 delta Tg 为负值，则表明材料在热循环过程中可能发生了降解。如果 delta Tg 为正值，则表明材料在热循环过程中可能发生了固化。如果 delta Tg 大于 ± 5°C，则认为该值具有显著性。
2 区 – 当材料的应力达到传统或无铅装配/返工温度时，该区域起到 “机械 “评估的作用。预计介电层之间或介电质与铜之间物理粘附性较差的试样可能会在这部分测试期间失效。由于挥发物或截留水分而导致的放气应该在该区域的末端完成。六个热循环模拟组装过程中使用的非线性升温速率，直至达到 260 °C 的高温。1 区和 2 区的热偏移可能会导致环氧树脂系统老化，或在某些情况下导致环氧系统固化，这取决于材料的储存方式和制造者对印刷线路板的加工方式。表 1 列出了该区热曲线的六个步骤，下文给出了程控热机械分析法。
表 1. 循环 TMA 方案概述
| 区域 | 先于 | 1 区 | 2 区 | 3 区 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 循环 | 1 | 3 | 6 | 1 | ||||||||
| 升温速率 | 10 | 10 | 20 | 181 | 98 | 73 | 49 | 38 | 100 | 100 | 5 | 20 |
| 温度 | 22 | 200 | 22 | 100 | 160 | 200 | 230 | 260 | 22 | 255 | 260 | 22 |
| 等温时间（分钟） | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 2 | 0 | 90 | End |
TMA 热机械分析法 TA 高级软件
- 应力 0.05 N
- 数据存储关闭
- 在 22.00 °C 下平衡
- 等温 1.00 分钟
- 数据存储开启
- 以 10.00 °C/分钟升温至 200.00 °C
- 标记循环结束
- 以 20.00 °C/分钟升温至 22.00 °C
- 标记循环结束
- 重复第 6 部分 2 次
- 以 181.00 °C/分钟升温至 100.00 °C
- 以 98.00 °C/分钟升温至 160.00 °C
- 以 73.00 °C/分钟升温至 200.00 °C
- 以 49.00 °C/分钟升温至 230.00 °C
- 以 38.00 °C/分钟升温至 260.00 °C
- 标记循环结束
- 以 100.00 °C/分钟升温至 22.00 °C
- 标记循环结束
- 等温 2.00 分钟
- 重复第 11 部分 5 次
- 以 100.00 °C/分钟升温至 255.00 °C
- 以 5.00 °C/分钟升温至 260.00 °C
- 等温 90.00 分钟
- 标记循环结束
- 数据存储关闭
- 以 20.00 °C/分钟升温至 22.00 °C
2 区为装配和返工模拟。装配过程中可存在多种不同的热曲线，给出的曲线是使用 IPC TM 650（IPC 2.6.26 电流诱导热循环测试）中描述的方法预处理试样时所获得热曲线的精确复制，不同之处是温度达到 260 °C 而不是 150 °C。使用该热偏移曲线可确保该方案与可靠性测试结果具有直接的相关性。该区域的失效归因于类似于粘合剂分层的机械故障。截留的挥发物、排气或层压层（铜或电介质）之间的粘合力较差都可能导致该区域的分层。
3 区 – 3 区类似于 IPC – 650 – 2.4.24 分层时间（TMA 方法）中规定的现有 T260 测试，升温速率为 100 °C/分钟、最长保持时间为 90 分钟。在 260 °C 温度下，如果放置时间过长，印刷线路板的环氧树脂成分会变黑并可能碳化。据认为，化学分解是该区域的主要失效模式，在这些温度下的分层是由于化学降解而非机械降解造成。快速加热速率（100 °C/分钟）可确保样品在升温至 260 °C 的过程中不会发生降解。由于样品尺寸较小，且通常存在铜，因此应用最小的热梯度。（已注意到，在 20 °C/分钟的较慢升温速率下的 T260 分层时间短于以 100 °C/分钟的较快升温速率获得的 T260 分层时间。）
图 3 比较了两个不同样品的 3 区数据。在 260 °C 等温持续时间内，样品 A 的尺寸变化稳定，表明其化学和物理性质的稳定性。然而，样品 B 在约 27 分钟时开始迅速膨胀，证明发生了分层现象。
对于材料在达到 3 区等温线后可抵抗分层多长时间，目前尚未制定标准。我们注意到，在 260 °C 下 10 分钟内失效的材料在进行可靠性测试时往往表现不佳（IPC 2.6.26 电流诱导热循环测试）。还应注意的是，可靠性失效模式可能为分层，但早期出现的桶状裂纹也会出现在电镀通孔 (PTH) 中。该区域的故障似乎通常与环氧树脂系统的材料降解相关联，且通常不是由机械故障引起。材料老化明显，环氧树脂中的交联断裂，且观察到内聚分层。该分层并不局限于层压层之间的界面。裂缝可能穿越 “C “和 “B “阶段边界。
总之，循环 TMA 测试可有效测量电介质材料在加工过程中承受的热应力（物理和化学应力），在补充行业标准测试和方法的同时，还能提供其他方案无法获得的额外信息。
致谢
Paul Reid，项目协调员，PWB Interconnect Solutions, Inc. Nepean, Ontario Canada, K2H 9C1 paul.reid@pwbcorp.com
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