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【熱分析】熱分析儀(DSC、DMA、TMA)在 CCL/PCB 產業之應用
2011/01/20 09:36:53瀏覽46|回應0|推薦0
        銅箔基板(Copper clad laminate,CCL)為製造印刷電路板(Printed circuit board,PCB)最主要之基材。CCL/PCB製程中很重要的部份,一為樹脂硬化程度,一為熱壓合條件的控制及post-cure 時間;前者常用DSC(熱示差掃瞄卡量計)來評估,後者則可利用TMA(熱機械分析儀)、 DMA(動態機械分析儀)、DEA(介電分析儀)、Rheometer(流變測試儀)在反應溫度過程中觀察其熱壓合過程的黏度變化,最後常用DSC或 DMS(DMA) 來作品管分析工具。
        銅箔基板是由樹脂、補強材和金屬箔:基板(Laminate)、膠片(Prepreg)、銅箔(Copper foil)三者所組成。樹指,一般是指高分子樹脂,常用的有:環氧樹脂、酚醛樹脂、聚胺甲醛、矽酮及鐵氟龍等;環氧樹脂是其中應用最為廣泛的一種熱固性樹 脂,在PCB業界佔有十分重要的地位。在一般的時候,環氧樹脂呈現低黏度的形態,對於加工十分便利;在常溫或是加熱的環境下,經由添加適當的硬化劑進行硬 化反應,可以得到三次元結構的硬化物。交聯之後的環氧樹脂為熱固性的高分子材料,具有以下幾種特性:
1.容易硬化:
在 5℃~150℃的環境之下,環氧樹脂可以簡單且快速進行硬化反應,並且硬化溫度隨著所選擇不同的硬化劑而改變。
2.低體積收縮率:
這是環氧樹脂一個十分重要的特性,在硬化過程中相較於一般的樹脂,環氧樹脂的體積收縮率大約為3%,遠遠低於一般樹脂的10% 體積收縮率。因此多用於尺寸要求較為精密用途的機械、電機方面。
3.良好的黏著性:
硬化後的樹脂具有極性的羥基及醚基,造成環氧樹脂的黏著特性。
4.良好的機械性質:
環氧樹脂相較於其他形式的樹脂有較好的機械特性,這是因為環氧樹脂在硬化過程中體積收縮率低,因此有較好的機械特性。
5.良好的絕緣性質:
硬化後的環氧樹脂因為長鏈上存有雙鍵結構的極性官能基團,因為雙鍵的共振,可以有效的吸收外來電子,進一步阻止電子的傳送,因而形成良好的絕緣特性。
6.良好的抗化學性質:
硬化後的樹脂產物因為具有極性的羥基,並且由於羥基旁的極性官能基團的影響,使得羥基上的氧原子上所帶的電子產生共振的情形,造成抗酸鹼的特性。
綜合上面所提到的,可以得知環氧樹脂擁有與一般樹脂所不同的特性,因此亦廣泛的應用於被覆、電子元件基材、結構黏著劑、複合材料、航空工業、運動器材及軍事工程等工業用途方面。
        基板工業是一種材料的基礎工業,是由介電層(樹脂Resin,玻璃纖維Glass fiber),及高純度的導體(銅箔Copper foil )所構成的複合材料(Composite material)。印刷電路板製造,主要分為三個程序:
A stage:指預浸料(Prepreg)製造過程中,其補強材料的玻纖布或棉紙,在通過膠水槽進行含浸工程時,該樹脂之膠水(Varnish,也譯為清漆水或凡立水,液態底材,一般為環氧樹脂),尚處於單體且被溶劑稀釋的狀態,稱為A-Stage。
B stage:「Prepreg」是「pre-impregnated」的縮寫,意思為預備浸漬,指玻璃纖維或其它纖維浸漬底材(液態環氧樹脂)經加熱恆溫 過程,使部份聚合產生具黏著性的半乾狀態而稱之。業界一般稱Carbon fiber prepreg為碳纖維預浸布,其底材(環氧樹脂)此時是B-stage,即是將熱固型樹脂聚合至預備硬化階段(即樹脂之B-stage)。
C stage:銅箔與膠片在高溫條件下經過熱壓合(多層或是單層)硬化成的最終狀態,製成銅箔基板。
在A stage,使用熱示差掃描卡量計(DSC)可量測樹脂之反應性,根據量測結果找出最適加工條件,以提升樹脂之轉化率及將黏度控制在一穩定範圍,利於後段製程之加工;由圖一可看出第一次升溫時,材料交連溫度在150~260℃。

圖一 A stage量測樹脂之反應性,找出最適加工條件。
 
B階段:根據圖一測量結果,將加工溫度設定在170~190℃恆溫10~60分鐘,量測膠片之Tg達穩定之時間及其溫度。由圖二可看出,材料大約在40分鐘左右即可達到99%的交連程度。

圖二 B stage量測Prepreg之Tg達穩定的時間及其溫度。
 
利用DMA(動態機械分析儀)能幫助判斷在反應溫度過程材料熱壓合過程的黏度變化。由圖
三可看出材料從B stage ~C stage的變化,包括材料第一次升溫可看出Tg、Mini viscosity、
get point..等。

圖三 DMA第一次升溫測量結果。
 
由圖四可看出在post cure加熱恆溫過程中,材料因交連時間而產生的強度變化。

圖四 DMA post-cure恆溫過程測量結果。
 
由圖五可看出材料C stage下的材料特性。

圖五 DMA第二次升溫測量結果。
 
在CCL及PCB製程中欲得到最佳的加工溫度、時間、結果及材料特性,藉由DSC(熱示差掃瞄卡量計)、TMA(熱機械分析儀)、DMA(動態機械分析儀)均可測得,是在CCL或PCB 產業界中做為研發及品管不可或缺的重要設備。

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