Nền:

Sai kích thước do giãn nở nhiệt là một trong những nguyên nhân chính gây ra thiệt hại cho bảng mạch điện tử. Để tránh điều này xảy ra, vật liệu dẫn nhiệt cao thường được sử dụng để tản nhiệt và vật liệu mở rộng thấp được sử dụng để kết hợp với các tấm silicon và chất cách điện gốm có tỷ lệ mở rộng thấp. Phân tích nhiệt cơ học (TMA) từ lâu đã được sử dụng để đo hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của bảng mạch, linh kiện điện tử và các loại vật liệu thành phần khác. Đối với nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh hóa, điểm uốn nhiệt độ thay đổi hệ số giãn nở nhiệt, làm mềm mẫu và tạo ra hiệu ứng giải phóng ứng suất, tất cả các phương pháp kiểm tra tiêu chuẩn trưởng thành và đáng tin cậy. Đối với các sản phẩm composite nhiều lớp, các phương pháp thử nghiệm tương ứng của TMA có thể đánh giá thời gian cần thiết để phá hủy cấu trúc lớp của vật liệu trong quá trình làm nóng. Thiết kế của TMA 4000 đơn giản hóa đáng kể quá trình thử nghiệm nói trên và rất thích hợp để đo sự giãn nở của các thiết bị nhỏ có tốc độ giãn nở thấp. Bài viết này cung cấp một số trường hợp thử nghiệm cho các phương pháp tiêu chuẩn này.

Phần thử nghiệm TMA 4000:

Kiểm tra dữ liệu đều sử dụng các quy trình kiểm tra TMA tiêu chuẩn sau:

· Làm sạch nitơ;

· Tốc độ gia nhiệt 5 hoặc 10 ℃/phút;

· Kiểm soát nhiệt độ bể làm mát của thân lò ở 15 ℃ thông qua nước làm mát tuần hoàn.

Kết quả kiểm tra:

Hệ số giãn nở nhiệt trục Z cho tấm PC dày 0,33 mm:

Hệ số giãn nở nhiệt Tín hiệu thử nghiệm CTE tỷ lệ thuận với chiều cao của mẫu được phân tích, vì vậy việc đo độ giãn nở của mẫu cao chỉ 0,33 mm đòi hỏi độ nhạy cao của TMA. IPC-TM-650 2.4.24c - "Đo nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh hóa và giãn nở nhiệt của trục Z với TMA" được sử dụng làm tiêu chuẩn 1 trong các thí nghiệm. Phương pháp tiêu chuẩn này yêu cầu chiều cao của mẫu bảng mạch composite nhiều lớp phải đạt ít nhất 0,5 mm. Một mảnh nhỏ được cắt ở một góc trên bảng mạch PCB nhiều lớp làm mẫu thử nghiệm (Hình 1) và được đo bằng micromet theo hướng trục X, Y và Z. Theo hướng trục Z, chiều cao mẫu đạt 0,66 mm do chồng chất hai lớp. Mẫu được đặt trên một bệ sapphire nhỏ, sử dụng đầu dò phẳng để tác dụng một lực nhỏ lên mẫu, điều này không chỉ loại bỏ lỗi do biến dạng mẫu gây ra bởi đầu dò mà còn loại bỏ các bước xử lý trước mẫu (xem Hình 1, trừ đường cơ sở để loại bỏ ảnh hưởng của bệ).

Hình 1. Hình học mẫu

Thông thường, nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh chỉ được thực hiện một lần và thông qua một đường cong dịch chuyển; Nếu có yêu cầu đặc biệt, mẫu cần được làm nóng lần thứ hai, và từ đường cong nóng lần thứ hai để có được hệ số giãn nở nhiệt ở cả hai bên của quá trình thủy tinh hóa. Nói chung, nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh là điểm khởi đầu cho chuyển động phân tử liên quan đến giảm mô đun và tăng hệ số giãn nở nhiệt CTE. Nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh thu được từ TMA Tg là giao điểm ngoại suy của dữ liệu giãn nở trên và dưới khu vực này. Như thể hiện trong hình 2.

Sơ đồ 2. Phân tích hướng trục Z của chip PC

Thời gian nổ tấm:

Thử nghiệm trên kích thước trục Z của mẫu này được thực hiện theo quy định tại Điều 2.4.24.1 của IPC-TM-650, thí nghiệm Phương pháp thử nghiệm thời gian phân tầng 1. Trong thí nghiệm này, mẫu như trong Hình 1 được nung nóng đến 265 ° C, sau đó đẳng nhiệt được thực hiện cho đến khi cấu trúc mẫu bị phá hủy (thường được gọi là "tấm nổ"), dữ liệu được hiển thị trong Hình 3.

Sơ đồ 3. Kiểm tra thời gian phá hủy cấu trúc lớp ("tấm nổ")

Hệ số giãn nở nhiệt XY trục cho tấm PC dày 0,33 mm:

Thử nghiệm mở rộng của chip PC ở mặt phẳng XY cũng sử dụng phương pháp thử nghiệm IPC: 2.4.41 Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính của vật liệu cách điện điện tử, dựa trên phương pháp ASTM D696, phù hợp với mẫu có kích thước nhỏ hơn 1. Tương tự như vậy, mẫu không trải qua bất kỳ quá trình làm sạch hóa học hoặc xử lý ngâm trước khi phân tích. Được thử nghiệm ở chế độ bulking, không cần khấu trừ cơ bản. Hình 4 cho thấy kết quả phân tích của hệ số giãn nở nhiệt CTE của mặt phẳng XY và chuyển đổi thủy tinh Tg. Khu vực chuyển đổi thủy tinh hóa không rõ ràng, cho thấy chất độn sợi thủy tinh (cũng có lớp phủ) ức chế sự giãn nở của tấm dây có hiệu quả.

Sơ đồ 4. Mở rộng trục XY của chip PC

Tấm cơ sở mạch linh hoạt polyimide:

Polyimide (PI) là nhựa chịu nhiệt độ cao và có thể được sử dụng để kết nối linh hoạt giữa các bảng mạch. Con đường dẫn điện có thể được in trên nó, không dễ bị suy giảm hiệu suất và nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh cao, có nghĩa là vật liệu ổn định về kích thước trong một phạm vi nhiệt độ rộng. Các phương pháp tiêu chuẩn được sử dụng trong thí nghiệm này là: IPC-TM-650 2.4.24.5 Nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh hóa và giãn nở nhiệt cho các vật liệu nội bộ mật độ cao (HDI) và vi mù - Phương pháp TMA 1.

Dải mỏng của mẫu màng polyimide dày 30 micron được cắt dọc theo mặt cắt dọc và ngang bằng lưỡi dao. Một kẹp gắn mẫu đặc biệt được sử dụng để đảm bảo rằng các mẫu được gia cố thẳng và không có nếp gấp, mỗi mẫu được phân tích ở chế độ kéo dài (hình học mẫu tương tự như Hình 5).

Hình 5. Các mẫu phim được gắn ở chế độ kéo dài

Mẫu đảm bảo trạng thái nhiệt ổn định bằng cách gia nhiệt lặp đi lặp lại, và xem Hình 6 cho kết quả phân tích, CTE thử nghiệm trước đó đã khấu trừ đường cơ sở để loại bỏ ảnh hưởng mở rộng của kẹp gắn mẫu (đường cơ sở đến từ kết quả thử nghiệm mẫu thạch anh có cùng hệ số mở rộng của vật liệu lò).

Hình 6. Hệ số giãn nở nhiệt và chuyển đổi thủy tinh hóa theo chiều dọc của màng polyimide

Hình 7 cho thấy dữ liệu được kiểm tra bằng polyimide trong cùng một điều kiện thí nghiệm, nhưng mẫu được phân tích lần này được cắt theo hướng vuông góc với chiều dọc.

Hình 7. Hệ số giãn nở nhiệt theo hướng mặt cắt ngang của màng polyimide

Các mẫu khó khăn trong ngành công nghiệp điện tử đã được phân tích bằng cách sử dụng TMA 4000 và các phương pháp tiêu chuẩn tương ứng cho thấy TMA 4000 có thể được đo một cách dễ dàng và chính xác. TMA 4000 sử dụng công nghệ cung cấp độ nhạy đã được chứng minh, độ tin cậy và chi phí bảo trì thấp.

Tài liệu tham khảo:

1. Hướng dẫn sử dụng phương pháp thử nghiệm IPC-TM-650, Viện đóng gói và kết nối đường dây điện tử, 2215 Sanders Road, Northbrook, Illinois 60062-6135.