FR-4型覆銅板動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)測(cè)量及影響分析

黃 璇，趙 威，楊 婷，劉 芳

FR-4型覆銅板動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)測(cè)量及影響分析

黃 璇，趙 威，楊 婷，劉 芳*

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200）

以FR-4型覆銅板為試驗(yàn)對(duì)象，開展不同條件下其儲(chǔ)能模量、損耗模量、損耗因子和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)測(cè)試，研究了溫度、掃描頻率、加載模式以及升溫速率對(duì)覆銅板動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的影響。結(jié)果表明：隨溫度升高，儲(chǔ)能模量趨勢(shì)是先慢慢減小最后急劇降低，而損耗模量和損耗因子隨溫度升高先增加再下降；掃描頻率越高，儲(chǔ)能模量越大，損耗因子峰值越高，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg也越高；三點(diǎn)彎曲測(cè)得的儲(chǔ)能模量大于雙懸臂梁模式；升溫速率增加，覆銅板的儲(chǔ)能模量減小，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg變高，損耗因子的峰值降低。

覆銅板；DMA；儲(chǔ)能模量；損耗模量；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；損耗因子

隨著電子產(chǎn)品的高密度化、集成化，對(duì)安裝電子元器件所必需的高性能電路基板-覆銅板的需求不斷擴(kuò)大，特別是FR-4型覆銅板需求量占比非常大[1]，因此研究FR-4型覆銅板的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能具有重要意義。

動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀是在程序控溫下，測(cè)量材料在振動(dòng)條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)隨溫度、頻率變化的一種儀器[2]。儲(chǔ)能模量E'表征材料的剛度，損耗模量E"反映粘彈性材料的粘性，損耗因子tanδ表征材料的阻尼系數(shù)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg表征材料的耐熱性能。楊拓等[3]研究了升溫速率、樣品厚度對(duì)高Tg板儲(chǔ)能模量和玻璃轉(zhuǎn)化溫度的影響。韓寶坤等[4]測(cè)定了高聚物材料儲(chǔ)能模量和損耗模量隨頻率變化曲線。但是目前很少研究溫度、頻率、升溫速率和加載模式對(duì)FR-4型覆銅板動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)儀器采用DMA+450動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀。試樣是4塊長(zhǎng)方體樣條的覆銅板，尺寸為長(zhǎng)×寬×高=44×10×1mm。選用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綖槎囝l-溫度-應(yīng)變模式，測(cè)試條件如表1所示，溫度范圍分別為－55℃~125℃和－55℃~200℃，升溫速率分別為3℃/min、5℃/min，考慮試樣的模量范圍，加載方式選用雙懸臂梁和三點(diǎn)彎曲模式（三點(diǎn)彎曲模式所需靜態(tài)力30mN，雙懸臂梁模式無需靜態(tài)力），掃描頻率分別為0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz、10Hz，采用液氮降溫。

表1 四種不同測(cè)試條件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 FR-4型覆銅板的儲(chǔ)能模量E'分析

圖1（a）是試樣1在不同掃描頻率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜，圖1（b）是試樣1和3在掃描頻率為1Hz時(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜，圖1（c）是試樣3和4在掃描頻率為1Hz時(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜。從圖1（a）可知，隨著掃描頻率的增加，試樣的儲(chǔ)能模量增加，其原因是，頻率較高時(shí)，對(duì)試樣施加應(yīng)力的時(shí)間較短，試樣在短時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)力作出應(yīng)變響應(yīng)的應(yīng)變比要比在頻率較低時(shí)和靜態(tài)下小得多，因此試樣的儲(chǔ)能模量在高頻下比在低頻下高。

圖1 不同測(cè)試條件對(duì)FR-4型覆銅板儲(chǔ)能模量的影響

從圖1（a）還可看出，除受頻率影響外，覆銅板儲(chǔ)能模量還受溫度的影響。隨著溫度升高，覆銅板的儲(chǔ)能模量逐漸降低，最后急劇減小，其原因是，溫度較低時(shí)，試樣處于玻璃態(tài)，分子運(yùn)動(dòng)能量低，不足以使大的運(yùn)動(dòng)單元-鏈段運(yùn)動(dòng)，只能使主鏈的鍵長(zhǎng)和鍵角有微小的改變，此時(shí)的儲(chǔ)能模量較高，材料不易變形，隨著溫度升高，試樣進(jìn)入高彈態(tài)，分子熱運(yùn)動(dòng)能量逐漸增加，鏈段運(yùn)動(dòng)被激發(fā)，儲(chǔ)能模量逐漸降低。

從圖1（b）可看出，隨著升溫速率加快，試樣的儲(chǔ)能模量下降，其原因是隨著升溫速率加快，材料小分子運(yùn)動(dòng)速率加快，應(yīng)力松弛時(shí)間減少，松弛強(qiáng)度提高，即保證在一定應(yīng)變的情況下，應(yīng)力變小，故儲(chǔ)能模量變小。

覆銅板的儲(chǔ)能模量在不同的加載模式下差異較大，從圖1（c）可以看出，三點(diǎn)彎曲測(cè)得的儲(chǔ)能模量大于雙懸臂梁模式，其原因是，在試件相同的情況下，三點(diǎn)彎曲模式所需靜態(tài)力30mN，雙懸臂梁模式無需靜態(tài)力，所以三點(diǎn)彎曲的變形大于雙懸臂梁，回彈能力也大于雙懸臂梁，儲(chǔ)能模量表示材料的回彈性能，因此三點(diǎn)彎曲測(cè)得的儲(chǔ)能模量大于雙懸臂梁。

2.2 FR-4型覆銅板的損耗模量E"分析

圖2是試樣1、2、3和4在掃描頻率為1Hz時(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜。可以看出，隨溫度升高，覆銅板損耗模量先增后減，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg附近達(dá)到一個(gè)峰值，其原因是，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg之前，分子鏈段運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，鏈段間的運(yùn)動(dòng)不必為克服摩擦力消耗能量，損耗模量較小，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg之后，分子鏈段自由運(yùn)動(dòng)，鏈段運(yùn)動(dòng)所需克服的摩擦力不大，損耗模量較小，只有在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg范圍內(nèi)，材料由玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，鏈段充分運(yùn)動(dòng)但又需要克服鏈段間的摩擦力，損耗模量達(dá)到其峰值。

圖2 FR-4型覆銅板損耗模量隨溫度變化曲線

2.3 FR-4型覆銅板的損耗因子tanδ分析

圖3 不同測(cè)試條件對(duì)FR-4型覆銅板損耗因子的影響

圖3（a）是試樣1在不同掃描頻率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜，圖3（b）是試樣1和3在掃描頻率為1Hz時(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜。從圖3（a）可以看出，頻率從0.5Hz到10Hz，頻率增加，損耗因子的峰值向高溫方向移動(dòng)且峰值略有升高；隨著溫度升高，損耗因子先增后減，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg附近達(dá)到一個(gè)峰值，損耗因子隨溫度升高的變化趨勢(shì)和損耗模量基本一致，變化原因也相同。

從圖3（b）可看出，損耗因子的峰值隨著升溫速率加快而降低，其原因是，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以下，試樣處于玻璃態(tài)，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以上，試樣處于橡膠態(tài)，升溫速率的加快會(huì)加大試樣內(nèi)部和外部的溫度差，當(dāng)試樣內(nèi)部的溫度到達(dá)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg時(shí)，試樣外部已經(jīng)處于橡膠態(tài)，或者說當(dāng)試樣外部達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg時(shí)，試樣內(nèi)部還處于玻璃態(tài)。試樣在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí)，分子鏈段的運(yùn)動(dòng)跟不上外力的變化，應(yīng)變落后于應(yīng)力，需要較高的內(nèi)耗，而試樣處于橡膠態(tài)或者玻璃態(tài)時(shí)所需內(nèi)耗較小，因此試樣內(nèi)部和外部的內(nèi)耗疊加變小，損耗因子隨之降低。

2.4 FR-4型覆銅板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg分析

圖4 不同測(cè)試條件對(duì)FR-4型覆銅板玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響

圖4（a）是試樣2在不同掃描頻率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜，圖4（b）是試樣2和4在掃描頻率為1Hz時(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)溫度譜。Tg有三種定義方式[5]：儲(chǔ)能模量曲線上折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，損耗模量峰值對(duì)應(yīng)的溫度，tanδ峰值對(duì)應(yīng)的溫度，由此獲得的三個(gè)Tg值依次增高，常用tanδ峰值對(duì)應(yīng)的溫度是作為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

從圖4（a）可看出，隨著掃描頻率的增加，損耗因子的峰值向高溫方向移動(dòng)且峰值略有升高，這意味著試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg隨著頻率的升高而增加，在動(dòng)態(tài)力學(xué)分析中，判斷運(yùn)動(dòng)單元是否自由運(yùn)動(dòng)，關(guān)鍵取決于運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間與觀察時(shí)間之比[6]，即可以通過改變溫度來改變運(yùn)動(dòng)單元松弛時(shí)間τ或改變頻率來改變觀察時(shí)間（t=1/2πf）反映材料當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)t≈τ，材料發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，頻率f變高，觀察時(shí)間t變小，運(yùn)動(dòng)單元松弛時(shí)間τ變小。只有溫度相應(yīng)升高，運(yùn)動(dòng)單元松弛時(shí)間才會(huì)變小，因此，頻率越高，發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變的溫度越高。

從圖4（b）可看出，隨著升溫速率加快，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg升高，由時(shí)間－溫度等效原理可知：在相同的溫度范圍內(nèi)，升溫速率的加快減少了溫度變化時(shí)間，即縮短了觀察時(shí)間，隨著溫度逐漸升高，運(yùn)動(dòng)單元松弛時(shí)間會(huì)降低到與觀察時(shí)間一致，試樣發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，而且升溫速率越高導(dǎo)致試樣內(nèi)部和外部溫差越大，當(dāng)試樣內(nèi)部處于玻璃態(tài)時(shí)，實(shí)驗(yàn)顯示試樣內(nèi)部玻璃化轉(zhuǎn)變完成，使Tg增高。

3 結(jié)論

本文研究了溫度、掃描頻率、加載模式以及升溫速率對(duì)FR-4型覆銅板動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律，獲得如下結(jié)論：

（1）在所測(cè)試的頻率和溫度范圍內(nèi)，隨溫度升高，儲(chǔ)能模量先緩慢降低，最后再急劇減??；損耗模量和損耗因子變化趨勢(shì)一致，隨溫度升高先慢慢減小，隨后出現(xiàn)峰值，再慢慢減小。

（2）在所測(cè)試的頻率和溫度范圍內(nèi)，隨著升溫速率增加，試樣儲(chǔ)能模量變小，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg升高，損耗因子峰值降低。

（3）試樣在不同的加載模式下儲(chǔ)能模量存在差異，三點(diǎn)彎曲測(cè)得的儲(chǔ)能模量大于雙懸臂梁模式。

（4）試樣在溫度范圍為-55℃-200℃內(nèi)，隨著掃描頻率增加，儲(chǔ)能模量增加，損耗因子的峰值向高溫方向移動(dòng)且略有升高，即材料發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變的溫度越高。

[1] 祝大同. 我國覆銅板用環(huán)氧樹脂消費(fèi)量現(xiàn)況及對(duì)其品種的新需求[J]. 覆銅板資訊, 2015, (3):46-49.

[2] 季軒, 周麗華, 王偉，等. 纖維材料動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能分析方法的研究[J]. 合成技術(shù)及應(yīng)用, 2020, 35(1):58-60.

[3] 楊拓, 陳蓓. 不同因素對(duì)動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA)測(cè)試結(jié)果的影響[J]. 印制電路信息, 2011, (A1)：19-23.

[4] 韓寶坤, 張婷婷, 曹曙明. 高聚物材料動(dòng)態(tài)模量測(cè)量與分析[J]. 噪聲與振動(dòng)控制, 2012, (5): 198-202.

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Dynamic Mechanical Parameter Measurement and Influence Analysis of FR-4 Copper Clad Laminate

HUANG Xuan, ZHAO Wei, YANG Ting, LIU Fang

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

The dynamic mechanical parameters of FR-4 copper clad laminate are measured under different conditions, including storage modulus, loss modulus, loss factor and glass transition temperature. The effects of temperature, scanning frequency, loading mode and heating rate on dynamic mechanical parameters of copper clad laminate are studied. The results show that with the increase of temperature, the storage modulus decreases slowly and finally decreases sharply. The loss modulus and loss factor increase first and then decrease with the increase of temperature.The higher the scanning frequency, the higher the storage modulus, the higher the loss factor, and the higher the glass transition temperature Tg.The measured energy storage modulus of three-point bending is larger than that of the double-cantilever beam model. As the heating rate increases, the storage modulus of the copper clad laminate decreases, and the glass transition temperature Tg increases, The peak loss factor is reduced.

Copper clad laminate; DMA; storage modulus; loss modulus; glass transition temperature; loss factor

劉芳（1976-），女，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向：振動(dòng)沖擊分析與控制，電子封裝可靠性.

國家自然科學(xué)基金（51775388）.

TN41

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2095－414X(2020)06－0014－04