TMA 4000 在电子工业领域中使用标准测试方法的应用

背景：电子线路板的主要破坏原因之一是由热膨胀 引起的问题。要防止这种情况发生，电子工 程师采用热导体来发散热量，用低膨胀性 材料来配合低膨胀率的硅片和陶瓷绝缘体的 使用 。热机械分析 (TMA) 长期以来应用于 测量线路板、电子元件和组成材料的热膨胀 (CTE)。针对玻璃化转变温度、热膨胀系数变化的点、样品 软化和应力释放效应的发生，已经建立起成熟可靠的标准测 试方法。对于层状复合产品，TMA 相应的测试方法可以确定 在评估升温过程中材料的分层所需时间。 TMA4000 的设计大大简化了上述测试过程 ，非常适用于测量 低膨胀率的小器件的膨胀。本应用文章提供了这些标准方法 的一些案例。

实验部分：下面的数据是采用标准 TMA 测试程序获得：氮 气吹扫气，5 或者 10℃ / 分钟的加热速率，通 过冷却水循环器控制炉子的冷却槽温度控制在 15℃。

TMA4000 为灵敏的热膨胀系数分析而优化 受控制的温度，高灵敏度的位置传感器提供了 最大的灵敏度 悬浮阻尼探头将环境噪音的误差降到低，且 保护了石英附件 高外形的炉子牢固并使得温度梯度的减小 为常规标准化测试设计的软件

结果：0.33 毫米厚的 PC 板的 Z 轴热膨胀系数 热膨胀系数 CTE 的信号与被分析的样品的高度 成正比，因此测量只有 0.33 毫米高的样品的膨 胀对 TMA 的灵敏度有很高的要求 。实验中使用 IPC-TM-6502.4.24c—“用 TMA 测量玻璃化转变温 度和 Z 轴的热膨胀”作为标准 1 。该实验设计要 求多层复合线路板样品的高度至少要达到 0.5 毫 米以上 。在多层 PCB 线路板上的一角切取一小 块作为试验样品 （图 1）。用千分尺在 X，Y 和 Z 轴方向进行测量。Z 轴方向上由于两层叠加使 得样品高度达 0.66 毫米。样品被放在一个小的 蓝宝石基座上，用平的探头对样品施加力的作 用，这样一来不仅能消除由探头引起的样品变形 带来的误差，也免去了对样品进行预处理的步骤  ( 见图 1 ，扣除基线来消除基座的影响）。

通常情况下，只进行一次升温并通过位移曲线来 获得玻璃化转变温度；如有特殊要求，需对样品 进行二次升温，并从二次升温的曲线上得到玻璃 化转变两侧的热膨胀系数。玻璃化转变温度是 与模量降低和热膨胀系数 CTE 增加相关的分子 运动的起点。这个由 TMA 得到的玻璃化转变温 度 Tg 是高于这个区域和低于这个区域的膨胀数 据的直线的交点。如图 2 示。

0.33 毫米厚的 PC 板的 XY 轴向的热膨 胀系数 PC芯片在XY平面的膨胀同样使用 IPC 实验方法： 2.4.41 电子绝缘材料的线性热膨胀系数，该方法 基于 ASTM 方法 D696 适用于较小尺寸样品 1 。同 样，样品在分析之前没有经过任何化学清洗或者 浸蚀处理。在膨胀模式下测试，不需要基线扣除。 图 4 所示是 XY 平面的热膨胀系数 CTE 和玻璃化 转变 Tg 分析。不明显的玻璃化转变区，表明玻 璃纤维填料（同样还有涂层）抑制线路板膨胀卓 有成效。

聚酰亚胺柔性电路基片  聚酰亚胺（PI）是耐高温塑料，可用于电路板之 间的柔性连接。导电通路可以印刷在其上，同时 在性能劣化方面它是稳定的。并且，玻璃化转变 温度高，意味着尺寸稳定性可以预料，直到那个 温度才会降低 。本实验采用的标准方法是：IPCTM-650 2.4.24.5 用于高密度内接（HDI）和微盲孔 的材料的玻璃化转变温度和热膨胀 -TMA 方法 1 。 

取自 30 微米厚的聚酰亚胺膜样品细条用刀片沿 纵向和横截面相裁切。在采用一个特殊装样夹具 确保直线安装没有皱褶后，以拉伸模式对每个样 都进行了分析（几何形状与图 5 类似）。样品通 过反复加热保证热状态来加热到较高温度以固 定 聚合物。热状态稳定后的分析见图 6，在确定 热膨胀系数 CTE 之前已扣除了基线来消除装样 夹具的膨胀影响。基线测量是通过对一个与炉子 支撑膨胀系数相符的熔凝石英样品进行测试来 实现的。

图 7 所示是聚酰亚胺采用相同实验条件测试的数 据，但这次分析的样品是从与纵向垂直的方向上 裁切的。

总结：来自电子工业的具有挑战性样品用 TMA4000 和 标准方法进行了分析。结果显示 TMA4000 可以 简便而精确地进行测量。TMA4000 采用的技术为 您提供经得起时间考验的灵敏度、可靠性和低维 护成本。

参考文献： 《IPC-TM-650 测试方法手册》，电子线路内接和包装研究所，桑德斯路 2215 号，诺斯布鲁克，伊利诺伊  60062-6135。