所谓热分析技术是表征材料的性质与温度关系的一组技术,它在定性、定量表征材料的热性能、物理性能、机械性能以及稳定性等方面有着广泛地应用,对于材料的研究开发和生产中的质量控制都具有很重要的实际意义。
目前热分析技术在电子材料的研究开发和质量控制中愈来愈成为不可或缺的重要手段之一。热分析技术对于电子材料可提供如下性质指标的测试:
该文以印刷电路板为例,详细展现了不同热分析技术,在从不同角度综合评估材料性能上的应用的可能性。
导论
印刷电路板(PCB)是用来承载印刷电子元件回路的基体板,它通常是以树脂作为黏合剂将玻璃纤维和铜箔压制而成。印刷电路板的实际使用要求如下:
• 合适的结构硬度和尺寸的准确性。
• 较低的热膨胀(焊料、操作温度的影响),由于PCB是各向异性的,因此在各个不同方向(长度、宽度、厚度)的热膨胀系数是不同的。
• 足够高的软化温度,因为当树脂发生软化时,整个PCB的力学性能和介电性能都会发生较大的偏移
• 耐热稳定性高。由于焊料的操作和实际使用过程中的热聚集,极容易使树脂发生降解,而这种降解常常伴随气体的逸出而造成整个PCB的分层,从而损坏PCB的结构。
• 阻燃性能。高性能的FR4标准板具有较好的阻燃性能。
实验设备
• METTLER-TOLEDEO STARe 热分析系统;
• 差示扫描量热仪DSC822e(带有自动进样器和空气制冷装置);
• 热机械-差热联用仪TMA/SDTA840;
• 热重-差热联用仪TGA/SDTA851eLF1100℃,在某些测试实验中可与质谱仪(Balzers ThermaStar)或傅立叶红外仪(Matson Genius Ⅱ)偶联而进行气体产物的分析。
DSC测量
DSC(差示扫描量热)技术是用来测量任何与材料焓变有关的热流的变化。正如表中所列,DSC技术主要用来测定PCB的玻璃化转变温度和PCB中所用树脂的固化度。
如果在第二次的DSC扫描中,玻璃化温度的转变点有很大地提高,这就说明PCB中的树脂固化反应地不完全; PCB在长期的储存过程很可能从玻璃中吸收水分或受溶剂的作用 形成焓的松弛效应,这些效应都会在DSC的第一次扫描中反一映出来(见图1)。
图1 FR4的DSC图谱(升温速率:10K/min):第一次测量扫描显示:在90℃附近有吸热效应,这是由于FR4中水分的挥发致,水分的含量为0.01%;在第二次的扫描中,则未见类似的吸热峰,玻璃化转变温度则由第一次扫描的129.3℃升至第二次扫描时的130.8℃。
另外,PCB的比热Cp也可以通过DSC曲线来测定。FR4的Cp值从100℃的0.89J/gk升至140℃的1.05J/gk,纯环氧树脂的典型比热值0.35J/gk。