动态机械分析仪（DMA）表征无铅兼容覆铜板Tg的研究

黄晨光　黄伟壮（广东生益科技股份有限公司，广东 东莞 523039）

动态机械分析仪（DMA）表征无铅兼容覆铜板Tg的研究

黄晨光黄伟壮
（广东生益科技股份有限公司，广东 东莞 523039）

DSC为业界评判覆铜板材料Tg的通用方法，但随着无铅覆铜板产品中填料比例增加和交联固化度提高，DSC法Tg曲线存在拐点不明显导致结果不准确问题。通过对比DMA与DSC测试原理和DMA法测量系统分析，结果表明对于含填料、PN固化的无铅兼容覆铜板采用DMA测试Tg的稳定性与重现性更好，更能准确地表征板材Tg。

动态机械分析仪；差示扫描量热仪；无铅兼容覆铜板；玻璃化转变温度

1　前言

覆铜板是PCB的基础材料，一方面PCB无铅化工艺已在行业中全面应用，另一方面随着电子产品日益趋向轻、薄、短、小，PCB线路结构设计也不断向高多层、高密度安装方向发展，这无疑对覆铜板材料的耐热性与可靠性提出了更大的挑战［1］。

相比传统双氰胺固化体系，覆铜板采用酚醛树脂固化的因其交联反应程度高，吸湿率低，在耐热性与耐CAF性上有明显提升。覆铜板中引入无机填料可以有效地降低板材热膨胀系数和降低吸水性，从而提高产品耐热性和改善PCB的通孔可靠性。目前以酚醛树脂固化和含有一定比例无机填料的覆铜板已成为适应行业无铅化制程满足PCB使用质量可靠性要求的主流产品。

高分子聚合物存在力学三态的变化，分别是玻璃态、高弹态和粘流态。从玻璃态开始向高弹态转变的温度称为玻璃化转变温度（Tg）。玻璃化转变是高聚物分子链从冻结状态到解冻状态的一种松弛现象。发生玻璃化转变时，高聚物的机械力学性能、电性能等物理性能发生了急剧变化，因而Tg是非晶态高聚物的一种重要的特性参数。覆铜板作为一种复合材料，Tg作为覆铜板的一个关键特征指标，会直接影响到材料使用性能，包括产品的耐热性、尺寸稳定性、耐化学性方面［2］。

2　实验部分

（1）DSC与DMA测试Tg的样品。

①双氰胺固化无填料普通Tg覆铜板，1.6 H/H；

②酚醛固化含填料高Tg覆铜板，规格：1.6 H/H

（2）DMA法检测Tg的测量系统分析。

①测试样品：酚醛固化含填料的中Tg覆铜板，规格：1.6 H/H；

②Tg数据取样方案（表1）。

表1　Tg数据取样方案

（3）检测仪器（表2）。

表2　测试仪器

（4）DSC与DMA测试方法参照IPC-TM-650标准测试方法。

3　结果与讨论

3.1DMA与DSC原理比较

差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimeter，简称DSC）是在程序控温和一定气氛下，测量流入流出试样和参比物的热流或输给试样和参比物的加热功率与温度或时间关系的一种方法。根据不同测量原理，DSC仪器主要分为热流性和功率补偿型两种，它是评判覆铜板Tg最通用的测试方法。DSC法测量Tg值的原理是高分子材料在玻璃化转变过程中比热容发生变化，根据这个变化的温度范围确定对应的玻璃化转变温度。

动态机械分析仪（Dynamic Mechanical Analyzer，简称DMA）是指在程序控温下，测量材料在振动负荷下的动态模量和力学损耗与温度关系的技术。通过测量样品在温度和力场的作用下所发生的反应或形变来研究材料的结构、性能。对于覆铜板材料，在温度低于玻璃化温度时，分子链运动被冻结，模量高，随着温度升高，材料从玻璃态向高弹态转变，原被冻结的分子量链段开始运动，内摩擦变大，体系黏度增加，储能模量下降，损耗模量上升，该转变区域内，阻尼系数和损耗模量达到峰值，其峰值温度即为玻璃化温度［3］。

DSC是通过比热容的变化来测定玻璃化转变温度，而 DSC吸/放热流信号在Tg点前后是同级别的变化；DMA是根据模量变化来表征玻璃化转变，在Tg点前后模量会发生数量级的急剧变化。因而DMA相比DSC法测试Tg的精度与灵敏度会更高些。

3.2DSC法测试覆铜板Tg局限性

采用差示扫描量热仪测试两种不同类型覆铜板的玻璃化转变温度曲线图如图1。

图1　DSC法测试板材Tg曲线图

注明：A样品—酚醛固化含填料高Tg覆铜板；B样品—双氰胺固化无填料普通Tg覆铜板。

从图1看，样品A（双氰胺固化的普通Tg）在Tg前后热流变化相对较大，曲线拐点明显，易于取点判定Tg；而样品B（酚醛固化含填料的高Tg）在Tg点前后热流变化不大，图形曲线平滑无明显拐点，这会影响到准确判定样品Tg值。以上对比结果表明，DSC适合测试双氰胺固化普通Tg覆铜板，但对于酚醛固化含一定比例填料产品（如填料含量范围为20%～35%）采用DSC测试时易出现拐点不明显，无法准确获得Tg值的问题。

针对以上现象，现从产品配方分子结构与产品本身特性上分析两类覆铜板在玻璃化转变过程中热效应变化的差别：（1）双氰胺固化体系的分子结构柔韧性较好；而酚醛固化体系中酚醛树脂本身含有刚性苯环结构，固化反应后酚醛固化后的比热容在Tg点前后变化幅度较双氰胺固化的要小；（2）中Tg或高Tg覆铜板较普通Tg的交联密度要高得多，交联密度越高，其表现的比热容在Tg点前后的变化幅度就越小；（3）无机填料的比热容在Tg前后基本上不变化，而加入一定比例填料后，比热容变化幅度相对较大的高分子树脂的含量会减少，导致产品总比热容在Tg前后的变化幅度较不加填料时要小。综合以上三个方面分析DSC不适宜测试一些酚醛固化含填料覆铜板Tg的根本原因是在升温过程中样品的热流量或比热容变化不大，体现在DSC曲线上拐点不明显，影响到Tg测试结果的准确性。

3.3DMA法测试覆铜板Tg的可行性

3.3.1DMA测试覆铜板Tg曲线

采用动态机械分析仪分别测试双氰胺固化普通Tg板材和酚醛固化含填料的高Tg板材的玻璃化温度曲线图如图2。

注明：A样品—酚醛固化含填料高Tg覆铜板；B样品—双氰胺固化无填料普通Tg覆铜板。

从DMA测试覆铜板Tg曲线图中直接取损耗模量与储能模量比值的峰值即阻尼峰所对应的温度即为玻璃化温度。相比DSC，DMA测试曲线易于确定Tg值，有效地排除了曲线平滑度差异与人为判断取点的影响。

3.3.2DMA检测覆铜板Tg的测量系统分析

对8个样品由2个操作员检测，每个样品重复测试两次后得到32组Tg数据，将Tg数据在Minitab软件中做重复性与再现性分析，结果如图3。

图3　DMA法测试Tg的测量系统分析

结合上图的分析数据整理如表3。

表3　 DMA法测试Tg的测量系统分析数据表

以上数据表明，DMA法测试板材Tg的重复性与再现性分析（%Gage R&R）结果为11.27%，为可接受水平；独立分类数为12，分辨力为理想状态。这说明，DMA测试覆铜板玻璃化温度的重现性与再现性能力较好，分辨力满足要求。对于目前覆铜板行业中以酚醛树脂固化含填料的中Tg和高Tg主流产品采用DMA法测试是一个较好的选择，可以解决DSC法测试玻璃化温度不准的问题。

由于DMA相比DSC测试覆铜板Tg的灵敏度更高，能够改善DSC测试部分型号覆铜板Tg不准问题，目前IPC-4101D相对于原IPC-4101C在Tg:150 ℃以上FR-4规格单的覆铜板中已增加DMA测试Tg的方法。

4　结语

DSC在测试酚醛固化含填料的覆铜板玻璃化温度时由于热效应不明显导致Tg曲线拐点不明显，影响到判定Tg准确性；而DMA监控材料模量随温度的变化，在Tg点前后模量变化幅度显著，灵敏度高，

可准确表征样品Tg。在测量系统分析中，DMA测试玻璃化温度的重复性与再现性能力处于可接受状态，分辨力高。

综上，对于覆铜板行业中以酚醛树脂固化含填料无铅兼容的中Tg和高Tg主流产品采用DMA法测试玻璃化温度是一个较好的选择。相信今后DMA法将逐步普及应用并成为业界评价覆铜板材料Tg等特性的一个重要检测手段。

［1］祝大同. 对适应无铅化FR-4型覆铜板性能的探讨（上）， 2005（8）:23-24.

［2］唐云杰等. 热分析设备测试层压板固化因素的差别［J］. 印制电路信息， 2013，4.

［3］杨拓，陈蓓. 不同因素对动态热机械分析仪（DMA）测试结果影响［C］. 2011秋季国际PCB技术/信息论坛.

黄晨光，工艺部产品工程师，技从事产品工艺技术改进工作。

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