板材Tg值對(duì)PCB可靠性和Tg的影響因素

作者 | 耿俊瑩、劉濤、王紅飛 東莞聯(lián)茂電子科技有限公司

覆銅板Tg 測(cè)試普遍采用差分掃描量熱儀法（DSC：Differential Scanning Calorimeter Mechanical Analysis）、熱機(jī)械分析法（ TMA：Thermal Mechanical Analysis ）和動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析法（ DMA：Dynamic Mechanical Analysis）。該文對(duì)三種Tg測(cè)試方法、測(cè)試原理及各自優(yōu)劣進(jìn)行了比較；分析了板材Tg值對(duì)PCB可靠性的影響，以及Tg的影響因素。

非晶態(tài)高分子存在三種力學(xué)狀態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)與粘流態(tài)。Tg（高分子玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）即高分子玻璃態(tài)與高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的對(duì)應(yīng)溫度。Tg值的高低與PCB成品性能息息相關(guān)，Tg值越高的PCB成品的穩(wěn)定性、可靠性、耐熱性、抗化性（指在PCB制成時(shí)多種化學(xué)藥水浸泡后，性能保持程度）就會(huì)越優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)也會(huì)越低。

1 測(cè)試原理及方法

1.1 DSC測(cè)試法（圖1）：

在控溫的程序下，測(cè)量樣品的轉(zhuǎn)移溫度，并測(cè)量在轉(zhuǎn)移過程中所發(fā)生的熱流變化與時(shí)間及溫度的函數(shù)關(guān)系。在設(shè)定的升溫（或降溫）過程中，儀器的控溫系統(tǒng)將兩者于測(cè)試的過程中一直保持相同的溫度，當(dāng)待測(cè)物發(fā)生吸熱（放熱）反應(yīng)時(shí)，待測(cè)物一側(cè)的測(cè)溫器會(huì)偵測(cè)出因吸熱（放熱）反應(yīng)時(shí)造成此處的溫度較標(biāo)準(zhǔn)物側(cè)的溫度低（高），因此，待測(cè)物端的加熱系統(tǒng)會(huì)較標(biāo)準(zhǔn)物側(cè)的加熱系統(tǒng)額外的多輸入（減少）一些熱量（以電流或電壓的變化），以增加（減少）待測(cè)物的溫度，如此可以保持兩者的溫度一致。而在測(cè)試的過程為保持兩者溫度相同，其所需在待測(cè)物端的額外增加或減少熱量就是待測(cè)物在測(cè)試過程中由于反應(yīng)所造成的實(shí)際熱量變化。因此DSC可以用做反應(yīng)或相變化等的定性及定量的實(shí)驗(yàn)。

1.2:TMA測(cè)試法（圖2）：

在加熱爐或環(huán)境箱內(nèi)對(duì)高分子聚合物的試樣施加恒定載荷，記錄不同溫度下的溫度-變形曲線。類似于膨脹計(jì)法，找出曲線上的折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度，即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

1.3:DMA測(cè)試法（圖3）

動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析法（DMA）：通過在受測(cè)高分子聚合物上施加正弦交變載荷獲取聚合物材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)。對(duì)于彈性材料（材料無粘彈性質(zhì)），動(dòng)態(tài)載荷與其引起的變形之間無相位差（ε=σ0sin（ωt）/E）。當(dāng)材料具有粘彈性質(zhì)時(shí)，材料的變形滯后于施加的載荷，載荷與變形之間出現(xiàn)相位差δ：ε=σ0sin（ωt+δ）/E。將含相位角的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系按三角函數(shù)關(guān)系展開，定義出對(duì)應(yīng)與彈性性質(zhì)的儲(chǔ)能模量G’=Ecos（δ）和對(duì)應(yīng)于粘彈性的損耗模量G”=Esin（δ）， E因此稱為絕對(duì)模量E=sqrt（G’^2+G”^2），由于相位角差δ的存在，外部載荷在對(duì)粘彈性材料加載時(shí)出現(xiàn)能量的損耗。粘彈性材料的這一性質(zhì)成為其對(duì)于外力的阻尼。阻尼系數(shù)γ=tan（δ）=G’’/G’‘’，由此可見，高分子聚合物的粘彈性大小體現(xiàn)在應(yīng)變滯后相位角上。當(dāng)溫度由低向高發(fā)展并通過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料內(nèi)部高分子的結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生變化，與分子結(jié)構(gòu)形態(tài)相關(guān)的粘彈性隨之變化。這一變化同時(shí)反映在儲(chǔ)能模量，損耗模量和阻尼系數(shù)上。阻尼系數(shù)的峰值對(duì)應(yīng)著材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，相應(yīng)的溫度即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

1.4：測(cè)試對(duì)比

從樣品上來說：DSC 測(cè)試時(shí)，制備的樣品為小、薄以增大與坩堝的接觸面積，達(dá)到利于樣品內(nèi)部熱傳導(dǎo)作用。DMA 測(cè)試時(shí)，樣品表面要平整，材質(zhì)均一，尺寸規(guī)范。低溫測(cè)試時(shí)，為保證夾具與樣品的貼合性，需進(jìn)行夾具的重新夾緊過程 ，TMA測(cè)試時(shí)要求樣品小于4.5mm表面平整材質(zhì)均一，樣品制備最為簡(jiǎn)單。

圖4是DSC、DMA和TMA的Tg測(cè)試曲線。由圖可以看出，DMA曲線較DSC 變化細(xì)節(jié)更加明顯，并且還能觀察出材料的次級(jí)轉(zhuǎn)變等精細(xì)結(jié)構(gòu)。 兩種測(cè)試方法都受控于升溫、降溫、恒溫等溫度程序，都屬于熱分析技術(shù)，可以對(duì)比△Tg值；但TMA 僅適用于單種Tg值，測(cè)試結(jié)果偏低，我們?cè)谑褂肨MA測(cè)試Tg時(shí)結(jié)果多為參考，不做為理論依據(jù)。DSC方法獲得的信息是表征樣品的熱性能和組成，是熱性質(zhì)變化，Tg反映材料在熱作用下的內(nèi)質(zhì)變化，對(duì)材料制備工藝具有指導(dǎo)意義。

2. Tg值與PCB可靠性

高Tg板材制作的PCB在穩(wěn)定性和可靠性方面表現(xiàn)較普通Tg和中Tg的PCB更優(yōu) 。（1）高耐熱性：降低因溫度而產(chǎn)生的翹曲，可減少PCB在熱熔焊接和熱沖擊時(shí)焊盤的翹起。（2）低熱膨脹系數(shù)（低CTE），減少因熱膨脹造成孔拐角銅斷裂，特別在八層及八層以上的PCB板中，鍍通孔的可靠性能比普通Tg的 PCB板要好 。（3） 抗化性優(yōu) ，在濕流程諸多的化學(xué)藥水浸泡下 ， 其性能仍然較佳。

2.1.Tg值對(duì)PCB板的影響

DSC與DMA測(cè)試中得到的△Tg值反映了板料樹脂固化程度的高低 ， △Tg值越大 ， 說明聚合物分子間的交聯(lián)反應(yīng)程度越低，板料中存在的極性基團(tuán)較多，從而使板料極易吸水，這種壓板中潛在的缺陷隨著時(shí)間的延長，PCB板吸水越多，在客戶做熱沖擊測(cè)試時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)爆板，導(dǎo)致嚴(yán)重可靠性問題?！鱐g值越大的板料 ， 在鉆孔加工中 ， 易出現(xiàn)孔粗、甩銅、且鍍通孔的品質(zhì)也會(huì)變差，因?yàn)楣袒蛔愕臉渲瑹崤蛎涀兓^大，易出現(xiàn)孔拐角斷裂。

3. Tg影響因素

3.1.PCB加工過程對(duì)Tg值影響

板料Tg在PCB流程中主要應(yīng)從以下幾方面加以控制 。首先開料烘板 ， 溫度不宜太高，低于Tg值溫度10℃比較好。 （如一般High Tg高速材料170℃/4小時(shí)條件烘板） ，主要釋放殘留在板中的內(nèi)應(yīng)力、去水份、促進(jìn)板料中的樹脂進(jìn)一步固化 。其次棕化后烘板，棕化過的板經(jīng)過濕流程藥水的浸泡，板料吸收了一定的水份，如果水份殘留在板中，會(huì)影響壓板品質(zhì)，影響板料Tg值，因此棕化后必須烘板（120℃/1小時(shí)）。壓板的PP（prepreg）在貯存期間吸收了一定的水份，這些水份殘留在聚合物的分子鏈間極難在熱壓中排出，如果不抽濕則壓板極易出現(xiàn)爆板、分層等不良?jí)喊迦毕荩虼艘矊⒂绊慣g值的大小， 在壓前必須抽濕。

3.2 吸水對(duì)Tg的影響

板材在熱壓中，聚合物間的交聯(lián)反應(yīng)不可能完全的進(jìn)行，因此板中存在著極性基團(tuán)，這些基團(tuán)易吸水 ，吸水后不能真實(shí)地反映板料Tg值 。 因此在進(jìn)行Tg測(cè)試前應(yīng)將樣品在105℃的環(huán)境下烘烤2小時(shí)，以去除水份。

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