TMA法测试覆铜板尺寸涨缩研究

2020-11-12任科秘钱冬华

印制电路信息 2020年9期

王宁任科秘钱冬华

（苏州生益科技有限公司，江苏苏州 215026）

1 项目背景

覆铜板（CCL）是以补强材料（玻璃布、浸渍纤维纸等）浸润树脂混合物后，经烘干再覆以铜箔压合而成。覆铜板关注的主要性能有热学性能（玻璃化转变温度、热分解温度和耐热性极限等）、力学性能（热膨胀系数、弯曲强度和弯曲模量等）、电学性能（介电常数、介质损耗角正切、表面电阻率和耐电弧性等）和加工性能（尺寸稳定性、平整度和钻孔性等）等。其中尺寸稳定性在客户生产应用中，尤其是在目前日益发展的窄线宽线距的生产情况下，显得尤为重要。

覆铜板生产过程中，影响尺寸稳定性的因素有很多，从树脂类型、铜箔类型和玻璃布类型的选择，到半固化片生产过程中的涂覆控制、烘烤控制和加工控制，再到半固化片叠构、层压温度和压力控制均会对覆铜板的尺寸稳定性产生影响。可以说，覆铜板尺寸稳定性控制的优劣代表着覆铜板制造工艺水平的高低。

尺寸稳定性不合格的覆铜板可能会造成客户生产印制电路板时产生内层图形失真、孔偏、甚至高压漏电和焊盘脱落等缺陷，严重影响产品良率和生产效率，因此尺寸稳定性的检测一直作为覆铜板和印制电路板厂家的常规检测项目。目前尺寸稳定性测量方法为IPC TM-650 2.4.39，此方法使用坐标测量仪利用测量值与原始值的差异，计算出热烘后及热应力后尺寸的变化率来评估试样的尺寸稳定性。测试变化率结果分为三个等级：A±0.03%、B±0.02%和C±0.01%，尺寸变化绝对值越小尺寸稳定性等级越高。此方法要求试样尺寸大于250 mm，数量一般不少于6张。可见IPC方法重点在于试样处理前后的宏观测量，是一种全面性、宏观性的过程测试，因此也不可避免的存在较多人为误差，且要求试样数量较多。本研究提出一种人为误差小、试样量少的测试方法，即热机械分析（TMA）测量法。

热机械分析法（TMA）是在特定的程序控温下加热处理试样，测量试样的形变与温度的关系的技术。本方法测量试样在不同测试条件下的平面方向的尺寸变化率，可实时监测试样在不同热历程中的尺寸变化情况，需求样品量少，适合进行复杂热历程中实时尺寸变化的研究。

2 实验方法

实验例分别将同样半固化片、铜箔和层压叠构的不同固化条件的覆铜板样品蚀刻铜箔后在TA公司的Q400热机械分析仪上进行等速升温扫描，并记录尺寸变化和温度曲线。加热过程设计为：温升10 ℃/min，四次热循环，第一次热循环30～200 ℃，第二至第四次热循环30～260 ℃。不同层压过程的覆铜板样品固化条件见表1。

表1 实验试样固化条件

3 结果与讨论

3.1 试样在不同热循环过程中尺寸变化与温度的关系

不同固化条件的试样在四次热循环后尺寸变化与温度的关系图例见图1。（因尺寸变化微小，2#、3#、4#试样TMA测试图类同，不再列出）

图1 1#试样TMA测试图

试样在热循环过程中经历膨胀和收缩的尺寸变化，当经过特定热历程之后回到初始温度时的尺寸变化即代表试样的尺寸涨缩数值。在试样经过设置的特定热历程之前需要添加去应力过程，即本实验例中的第一次热循环过程。去应力过程去除的主要是制样过程（如裁切、铣切、打磨等）和装样过程（如夹紧部件固定）造成的试样应力集中从而产生的尺寸变化，去应力过程最高温度选择要低于试样玻璃化转变温度，尽量排除去应力过程的温度变化造成试样固化度的变化所引起的尺寸变化。

3.2 试样在不同温度下尺寸变化对比

实验例分别选取三个温度点：30 ℃、100 ℃和200 ℃，考察不同固化条件的试样在不同温度下尺寸变化对比情况，见表2～表4、图2～图4。

表2 30 ℃条件下不同试样的尺寸变化

表3 100 ℃条件下不同试样的尺寸变化

表4 200 ℃条件下不同试样的尺寸变化

图2 30 ℃条件下不同试样的尺寸变化

图3 100 ℃条件下不同试样的尺寸变化

图4 200 ℃条件下不同试样的尺寸变化

实验中一次加热循环为试样去应力过程，二至四次加热循环为试样测试条件，可根据不同需求设置不同的测试条件。从不同固化条件的试样在不同温度下尺寸变化对比情况可清楚地看到，不同试样经历热过程后均收缩，固化不完全的试样收缩较大。同一试样在不断经历相同的受热过程后收缩情况不一致，其原因是不断经历受热过程后试样的固化度发生了变化。测试过程还可任意选取不同温度点的尺寸变化进行分析，有助于对不同生产条件下的相关参数进行分析和指导。从测试过程看，去应力过程后人为误差几乎没有，测试准确性大大提高。

3.3 TMA法测量试样尺寸涨缩的优点和局限性

通过实验例测试过程可以发现，TMA法测量试样尺寸涨缩相比传统方法，试样测试需求量少，可实时测量不同温度时尺寸的变化，测试过程人为误差小，测试精度较高。但是也存在着一定的局限性，对于固化不足或湿制程试样，在去应力过程中，试样固化度和含水率会发生变化，造成测试误差，因而去应力过程最高温度选择要低于试样玻璃化转变温度并缩短去应力过程的测试时间，尽量减小试样固化度和含水率的变化，减小试验误差；另外对于传统测试方法中的湿处理过程TMA测试无法实现，因而TMA法测量尺寸涨缩比较适用于固化完全试样的热处理制程，一定意义上是对传统测试方法的补充和参考。