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用于高密度互聯(lián)（HDI）和微導(dǎo)通孔材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及熱膨脹-TMA（熱機(jī)械分析）方法檢測(cè)

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發(fā)布時(shí)間：2025-08-17 16:17:28 更新時(shí)間：2025-08-16 16:17:28

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測(cè)中心

用于高密度互聯(lián)（HDI）和微導(dǎo)通孔材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及熱膨脹-TMA（熱機(jī)械分析）方法檢測(cè)

高密度互聯(lián)（HDI）與微導(dǎo)通孔材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度及熱膨脹性能檢測(cè)：TMA方法分析

隨著電子設(shè)備向小型化、輕量化和高性能化方向快速發(fā)展，高密度互聯(lián)（High-Density Interconnect, HDI）技術(shù)已成為現(xiàn)代印制電路板（PCB）制造的核心工藝之一。在HDI結(jié)構(gòu)中，微導(dǎo)通孔（Micro-via）技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)層間信號(hào)互連的關(guān)鍵手段，對(duì)材料的熱性能提出了極高要求。其中，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和熱膨脹系數(shù)（CTE）是衡量基材熱穩(wěn)定性的兩個(gè)核心參數(shù)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度決定了材料從玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界溫度，直接影響PCB在高溫環(huán)境下的尺寸穩(wěn)定性與可靠性；而熱膨脹性能則關(guān)系到材料在溫度變化過(guò)程中與銅層、其他金屬材料之間的熱匹配程度，是避免熱應(yīng)力導(dǎo)致分層、開(kāi)裂等失效的關(guān)鍵。因此，對(duì)HDI及微導(dǎo)通孔用材料進(jìn)行精確的Tg與CTE檢測(cè)，已成為研發(fā)、生產(chǎn)及質(zhì)量控制過(guò)程中不可或缺的環(huán)節(jié)。熱機(jī)械分析（Thermomechanical Analysis, TMA）作為一種高靈敏度、高精度的熱性能檢測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于此類(lèi)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究中。TMA通過(guò)測(cè)量材料在程序升溫過(guò)程中尺寸變化的微小差異，能夠準(zhǔn)確獲取Tg轉(zhuǎn)變點(diǎn)及不同溫度區(qū)間的熱膨脹系數(shù)，特別適用于薄層、微結(jié)構(gòu)材料的原位分析。本篇文章將系統(tǒng)闡述TMA檢測(cè)在HDI材料中的具體應(yīng)用，涵蓋檢測(cè)項(xiàng)目、關(guān)鍵儀器設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法及對(duì)應(yīng)的國(guó)際規(guī)范，為材料選型、工藝優(yōu)化與可靠性評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

檢測(cè)項(xiàng)目：Tg與熱膨脹系數(shù)（CTE）的精準(zhǔn)測(cè)定

在HDI與微導(dǎo)通孔材料的性能評(píng)估中，主要檢測(cè)項(xiàng)目包括玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和熱膨脹系數(shù)（CTE）。Tg是材料從剛性玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浕邚棏B(tài)的溫度點(diǎn)，其數(shù)值直接反映了材料在高溫工作環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定能力。對(duì)于HDI材料，通常要求Tg高于150°C，以確保在回流焊（如260°C）過(guò)程中不會(huì)發(fā)生顯著形變。CTE則表征材料在溫度變化下的線性膨脹程度，其單位通常為ppm/°C。在多層板結(jié)構(gòu)中，CTE不匹配會(huì)導(dǎo)致銅層應(yīng)力集中，引發(fā)微導(dǎo)通孔開(kāi)裂、焊點(diǎn)失效等可靠性問(wèn)題。因此，TMA檢測(cè)不僅需要準(zhǔn)確識(shí)別Tg，還必須獲取從室溫至Tg以上區(qū)域的CTE曲線，特別是關(guān)注Tg附近的斜率突變，以評(píng)估材料的熱穩(wěn)定性與熱匹配性能。

檢測(cè)儀器：高精度TMA設(shè)備及其關(guān)鍵配置

用于HDI材料Tg與CTE檢測(cè)的核心儀器為熱機(jī)械分析儀（TMA），常見(jiàn)的品牌包括Netzsch、TA Instruments和PerkinElmer等。這類(lèi)儀器通常配備高精度位移傳感器（分辨率可達(dá)0.01 μm）、可控溫區(qū)爐體（溫度范圍-150°C至800°C）以及自動(dòng)加載系統(tǒng)。針對(duì)HDI基材薄層（通常在100-200 μm）的檢測(cè)需求，儀器需具備微力加載機(jī)制，防止樣品在測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生壓痕或變形。此外，樣品制備需采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸（如10 mm × 10 mm × 0.2 mm）的矩形片，邊緣需打磨平整，以確保測(cè)試過(guò)程中熱傳導(dǎo)均勻。為提高數(shù)據(jù)可靠性，現(xiàn)代TMA設(shè)備常集成氣氛控制系統(tǒng)，可通入N?、Ar等惰性氣體，防止氧化影響測(cè)試結(jié)果。部分高端機(jī)型還支持動(dòng)態(tài)熱分析（DTA）與TMA聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料相變過(guò)程的綜合分析。

檢測(cè)方法：TMA標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試流程與數(shù)據(jù)解析

TMA檢測(cè)HDI材料的標(biāo)準(zhǔn)流程包括樣品準(zhǔn)備、升溫程序設(shè)定、數(shù)據(jù)采集與結(jié)果解析四個(gè)步驟。首先，將待測(cè)材料切割為標(biāo)準(zhǔn)尺寸，表面清潔無(wú)塵。測(cè)試時(shí)，將樣品置于TMA夾具中，施加恒定小載荷（通常為10-50 mN），以避免壓縮變形。升溫程序通常設(shè)定為從室溫（25°C）以5°C/min的速率升溫至300°C以上，以覆蓋Tg及高溫區(qū)域。測(cè)試過(guò)程中，儀器實(shí)時(shí)記錄樣品長(zhǎng)度隨溫度的變化曲線。Tg的判定依據(jù)為曲線斜率的顯著變化點(diǎn)，即從低熱膨脹區(qū)向高熱膨脹區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。CTE計(jì)算則基于Tg以下和Tg以上兩個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)長(zhǎng)度變化與溫度的比值，計(jì)算公式為：CTE = (ΔL / L?) / ΔT，其中ΔL為長(zhǎng)度變化，L?為初始長(zhǎng)度，ΔT為溫度變化。為增強(qiáng)結(jié)果可信度，通常采用三次平行測(cè)試取平均值，并進(jìn)行誤差分析。此外，部分標(biāo)準(zhǔn)要求在測(cè)試前進(jìn)行樣品預(yù)熱穩(wěn)定，避免殘余應(yīng)力影響結(jié)果。

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)際與行業(yè)規(guī)范依據(jù)

目前，HDI與微導(dǎo)通孔材料的TMA檢測(cè)已形成一系列國(guó)際與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其中，最權(quán)威的包括：

IPC-TM-650 2.4.24：由IPC（國(guó)際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì)）頒布，明確規(guī)定了TMA法測(cè)定樹(shù)脂材料Tg與CTE的測(cè)試條件、樣品制備、儀器要求及數(shù)據(jù)報(bào)告格式，是PCB材料檢測(cè)的行業(yè)基準(zhǔn)。
ASTM E836：美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）發(fā)布的熱機(jī)械分析標(biāo)準(zhǔn)，適用于聚合物、復(fù)合材料等的熱膨脹行為測(cè)定，涵蓋Tg識(shí)別與CTE計(jì)算方法。
IEC 61215（部分適用）：雖然主要針對(duì)光伏組件，但其對(duì)材料熱穩(wěn)定性測(cè)試的框架也對(duì)HDI材料的可靠性評(píng)估具有參考價(jià)值。

遵循上述標(biāo)準(zhǔn)，可確保檢測(cè)結(jié)果的可比性與合規(guī)性，尤其在跨國(guó)供應(yīng)鏈與產(chǎn)品認(rèn)證中具有重要意義。制造商在提交材料性能報(bào)告時(shí)，通常需附帶符合IPC-TM-650 2.4.24標(biāo)準(zhǔn)的TMA曲線圖與數(shù)據(jù)表，以滿足客戶與行業(yè)監(jiān)管要求。