動態(tài)機械分析儀（DMA）表征無鉛兼容覆銅板Tg的研究

黃晨光　黃偉壯（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523039）

動態(tài)機械分析儀（DMA）表征無鉛兼容覆銅板Tg的研究

黃晨光黃偉壯
（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523039）

DSC為業(yè)界評判覆銅板材料Tg的通用方法，但隨著無鉛覆銅板產(chǎn)品中填料比例增加和交聯(lián)固化度提高，DSC法Tg曲線存在拐點不明顯導致結果不準確問題。通過對比DMA與DSC測試原理和DMA法測量系統(tǒng)分析，結果表明對于含填料、PN固化的無鉛兼容覆銅板采用DMA測試Tg的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性更好，更能準確地表征板材Tg。

動態(tài)機械分析儀；差示掃描量熱儀；無鉛兼容覆銅板；玻璃化轉變溫度

1　前言

覆銅板是PCB的基礎材料，一方面PCB無鉛化工藝已在行業(yè)中全面應用，另一方面隨著電子產(chǎn)品日益趨向輕、薄、短、小，PCB線路結構設計也不斷向高多層、高密度安裝方向發(fā)展，這無疑對覆銅板材料的耐熱性與可靠性提出了更大的挑戰(zhàn)［1］。

相比傳統(tǒng)雙氰胺固化體系，覆銅板采用酚醛樹脂固化的因其交聯(lián)反應程度高，吸濕率低，在耐熱性與耐CAF性上有明顯提升。覆銅板中引入無機填料可以有效地降低板材熱膨脹系數(shù)和降低吸水性，從而提高產(chǎn)品耐熱性和改善PCB的通孔可靠性。目前以酚醛樹脂固化和含有一定比例無機填料的覆銅板已成為適應行業(yè)無鉛化制程滿足PCB使用質量可靠性要求的主流產(chǎn)品。

高分子聚合物存在力學三態(tài)的變化，分別是玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。從玻璃態(tài)開始向高彈態(tài)轉變的溫度稱為玻璃化轉變溫度（Tg）。玻璃化轉變是高聚物分子鏈從凍結狀態(tài)到解凍狀態(tài)的一種松弛現(xiàn)象。發(fā)生玻璃化轉變時，高聚物的機械力學性能、電性能等物理性能發(fā)生了急劇變化，因而Tg是非晶態(tài)高聚物的一種重要的特性參數(shù)。覆銅板作為一種復合材料，Tg作為覆銅板的一個關鍵特征指標，會直接影響到材料使用性能，包括產(chǎn)品的耐熱性、尺寸穩(wěn)定性、耐化學性方面［2］。

2　實驗部分

（1）DSC與DMA測試Tg的樣品。

①雙氰胺固化無填料普通Tg覆銅板，1.6 H/H；

②酚醛固化含填料高Tg覆銅板，規(guī)格：1.6 H/H

（2）DMA法檢測Tg的測量系統(tǒng)分析。

①測試樣品：酚醛固化含填料的中Tg覆銅板，規(guī)格：1.6 H/H；

②Tg數(shù)據(jù)取樣方案（表1）。

表1　Tg數(shù)據(jù)取樣方案

（3）檢測儀器（表2）。

表2　測試儀器

（4）DSC與DMA測試方法參照IPC-TM-650標準測試方法。

3　結果與討論

3.1DMA與DSC原理比較

差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimeter，簡稱DSC）是在程序控溫和一定氣氛下，測量流入流出試樣和參比物的熱流或輸給試樣和參比物的加熱功率與溫度或時間關系的一種方法。根據(jù)不同測量原理，DSC儀器主要分為熱流性和功率補償型兩種，它是評判覆銅板Tg最通用的測試方法。DSC法測量Tg值的原理是高分子材料在玻璃化轉變過程中比熱容發(fā)生變化，根據(jù)這個變化的溫度范圍確定對應的玻璃化轉變溫度。

動態(tài)機械分析儀（Dynamic Mechanical Analyzer，簡稱DMA）是指在程序控溫下，測量材料在振動負荷下的動態(tài)模量和力學損耗與溫度關系的技術。通過測量樣品在溫度和力場的作用下所發(fā)生的反應或形變來研究材料的結構、性能。對于覆銅板材料，在溫度低于玻璃化溫度時，分子鏈運動被凍結，模量高，隨著溫度升高，材料從玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉變，原被凍結的分子量鏈段開始運動，內摩擦變大，體系黏度增加，儲能模量下降，損耗模量上升，該轉變區(qū)域內，阻尼系數(shù)和損耗模量達到峰值，其峰值溫度即為玻璃化溫度［3］。

DSC是通過比熱容的變化來測定玻璃化轉變溫度，而 DSC吸/放熱流信號在Tg點前后是同級別的變化；DMA是根據(jù)模量變化來表征玻璃化轉變，在Tg點前后模量會發(fā)生數(shù)量級的急劇變化。因而DMA相比DSC法測試Tg的精度與靈敏度會更高些。

3.2DSC法測試覆銅板Tg局限性

采用差示掃描量熱儀測試兩種不同類型覆銅板的玻璃化轉變溫度曲線圖如圖1。

圖1　DSC法測試板材Tg曲線圖

注明：A樣品—酚醛固化含填料高Tg覆銅板；B樣品—雙氰胺固化無填料普通Tg覆銅板。

從圖1看，樣品A（雙氰胺固化的普通Tg）在Tg前后熱流變化相對較大，曲線拐點明顯，易于取點判定Tg；而樣品B（酚醛固化含填料的高Tg）在Tg點前后熱流變化不大，圖形曲線平滑無明顯拐點，這會影響到準確判定樣品Tg值。以上對比結果表明，DSC適合測試雙氰胺固化普通Tg覆銅板，但對于酚醛固化含一定比例填料產(chǎn)品（如填料含量范圍為20%～35%）采用DSC測試時易出現(xiàn)拐點不明顯，無法準確獲得Tg值的問題。

針對以上現(xiàn)象，現(xiàn)從產(chǎn)品配方分子結構與產(chǎn)品本身特性上分析兩類覆銅板在玻璃化轉變過程中熱效應變化的差別：（1）雙氰胺固化體系的分子結構柔韌性較好；而酚醛固化體系中酚醛樹脂本身含有剛性苯環(huán)結構，固化反應后酚醛固化后的比熱容在Tg點前后變化幅度較雙氰胺固化的要小；（2）中Tg或高Tg覆銅板較普通Tg的交聯(lián)密度要高得多，交聯(lián)密度越高，其表現(xiàn)的比熱容在Tg點前后的變化幅度就越?。唬?）無機填料的比熱容在Tg前后基本上不變化，而加入一定比例填料后，比熱容變化幅度相對較大的高分子樹脂的含量會減少，導致產(chǎn)品總比熱容在Tg前后的變化幅度較不加填料時要小。綜合以上三個方面分析DSC不適宜測試一些酚醛固化含填料覆銅板Tg的根本原因是在升溫過程中樣品的熱流量或比熱容變化不大，體現(xiàn)在DSC曲線上拐點不明顯，影響到Tg測試結果的準確性。

3.3DMA法測試覆銅板Tg的可行性

3.3.1DMA測試覆銅板Tg曲線

采用動態(tài)機械分析儀分別測試雙氰胺固化普通Tg板材和酚醛固化含填料的高Tg板材的玻璃化溫度曲線圖如圖2。

注明：A樣品—酚醛固化含填料高Tg覆銅板；B樣品—雙氰胺固化無填料普通Tg覆銅板。

從DMA測試覆銅板Tg曲線圖中直接取損耗模量與儲能模量比值的峰值即阻尼峰所對應的溫度即為玻璃化溫度。相比DSC，DMA測試曲線易于確定Tg值，有效地排除了曲線平滑度差異與人為判斷取點的影響。

3.3.2DMA檢測覆銅板Tg的測量系統(tǒng)分析

對8個樣品由2個操作員檢測，每個樣品重復測試兩次后得到32組Tg數(shù)據(jù)，將Tg數(shù)據(jù)在Minitab軟件中做重復性與再現(xiàn)性分析，結果如圖3。

圖3　DMA法測試Tg的測量系統(tǒng)分析

結合上圖的分析數(shù)據(jù)整理如表3。

表3　 DMA法測試Tg的測量系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)表

以上數(shù)據(jù)表明，DMA法測試板材Tg的重復性與再現(xiàn)性分析（%Gage R&R）結果為11.27%，為可接受水平；獨立分類數(shù)為12，分辨力為理想狀態(tài)。這說明，DMA測試覆銅板玻璃化溫度的重現(xiàn)性與再現(xiàn)性能力較好，分辨力滿足要求。對于目前覆銅板行業(yè)中以酚醛樹脂固化含填料的中Tg和高Tg主流產(chǎn)品采用DMA法測試是一個較好的選擇，可以解決DSC法測試玻璃化溫度不準的問題。

由于DMA相比DSC測試覆銅板Tg的靈敏度更高，能夠改善DSC測試部分型號覆銅板Tg不準問題，目前IPC-4101D相對于原IPC-4101C在Tg:150 ℃以上FR-4規(guī)格單的覆銅板中已增加DMA測試Tg的方法。

4　結語

DSC在測試酚醛固化含填料的覆銅板玻璃化溫度時由于熱效應不明顯導致Tg曲線拐點不明顯，影響到判定Tg準確性；而DMA監(jiān)控材料模量隨溫度的變化，在Tg點前后模量變化幅度顯著，靈敏度高，

可準確表征樣品Tg。在測量系統(tǒng)分析中，DMA測試玻璃化溫度的重復性與再現(xiàn)性能力處于可接受狀態(tài)，分辨力高。

綜上，對于覆銅板行業(yè)中以酚醛樹脂固化含填料無鉛兼容的中Tg和高Tg主流產(chǎn)品采用DMA法測試玻璃化溫度是一個較好的選擇。相信今后DMA法將逐步普及應用并成為業(yè)界評價覆銅板材料Tg等特性的一個重要檢測手段。

［1］祝大同. 對適應無鉛化FR-4型覆銅板性能的探討（上）， 2005（8）:23-24.

［2］唐云杰等. 熱分析設備測試層壓板固化因素的差別［J］. 印制電路信息， 2013，4.

［3］楊拓，陳蓓. 不同因素對動態(tài)熱機械分析儀（DMA）測試結果影響［C］. 2011秋季國際PCB技術/信息論壇.

黃晨光，工藝部產(chǎn)品工程師，技從事產(chǎn)品工藝技術改進工作。

Study on dynamic mechanical analyzer for characterization of lead-free compatible copper clad laminate Tg

HUANG Chen-guang HUANG Wei-zhuang

DSC is the universal method of CCL to evaluate the curing degree， but with increase of the content of filler and improved curing degree， the inflection point of Tg curve of DSC is not obvious result in Tg inaccurate. Through the comparison of DMA and DSC testing principle and DMA measurement system analysis，the results show that for the filler containing PN curing of lead-free compatible CCL with better stability and more accurate characterization of Tg with DMA.

Dynamic Mechanical Analyzer； Differential Scanning Calorimetry； Lead-Free Compatible Copper Clad Laminate； The Glass Transition Temperature

TN41

A

1009-0096（2015）08-0042-03