背景：

熱膨張による寸法ミスマッチは、電子回路基板の主な損傷原因の1つである。このような事態を回避するために、通常は高熱伝導材料を用いて放熱し、低膨張材料を用いて低膨張率のシリコンシート及びセラミック絶縁体を配合する。熱機械分析（TMA）は長い間、回路基板、電子部品及びその他の各種構成材料の熱膨張係数（CTE）の測定に応用されてきた。ガラス転移温度、熱膨張係数変化の温度変曲点、サンプル軟化と応力放出効果の発生に対して、いずれも成熟で信頼性のある標準試験方法がある。層状複合製品について、TMAの対応する試験方法は、昇温過程における材料の層状構造破壊のための所要時間を評価することができる。TMA 4000の設計は上述の試験プロセスを大幅に簡略化し、低膨張率の小デバイスの膨張を測定するのに非常に適している。本文はこれらの標準的な方法のいくつかのテスト事例を提供した。

TMA 4000実験部：

データ試験はすべて以下の標準TMA試験手順を採用する：

・窒素パージ、

・5又は10℃／分の加熱速度、

・循環冷却水により炉体冷却槽温度を15℃に制御する。

テスト結果：

厚さ0.33 mmのPC基板のZ軸熱膨張係数：

熱膨張係数CTEの試験信号は分析された試料の高さに比例するため、測定は0.33 mmの高試料の膨張だけがTMAの感度に高い要求がある。実験ではIPC-TM-650 2.4.24 c-「TMAでガラス転移温度とZ軸の熱膨張を測定する」を標準1として使用した。この標準的な方法は、多層複合配線板サンプルの高さが少なくとも0.5 mmに達することを要求している。多層PCB基板上の隅に小さな塊を試験サンプルとして切り取り（図1）、X、Y、Z軸方向にマイクロメータを用いて測定した。Z軸方向は2層重ね合わせにより試料高さは0.66 mmに達した。サンプルは小さなサファイアベースの上に置かれ、フラットプローブを用いてサンプルに微小な力を加えることで、プローブによるサンプル変形による誤差を解消するだけでなく、サンプルを前処理する工程も免除される（図1参照、ベースラインを差し引いてベースの影響を除去する）。

図1.サンプル形状

通常、1回だけ昇温し、変位曲線によってガラス転移温度を得る。特別な要求があれば、サンプルを二次昇温し、二次昇温の曲線からガラス転移両側の熱膨張係数を得る必要がある。一般に、ガラス転移温度は弾性率の低下と熱膨張係数CTEの増加に関連する分子運動の起点である。TMAから得られたガラス転移温度Tgは、この領域よりも高く、この領域よりも低い膨張データとの外挿直線交点である。図2に示すように。

図2.PCチップZ軸方向解析

ノックアウト時間：

このサンプルのZ軸寸法上の試験はIPC-TM-650第2.4.24.1条の規定に従って行われた、すなわち階層時間試験方法1実験である。この実験では、図1に示すサンプルを265℃に加熱し、その後、図3に示すように、サンプル構造が破壊されるまで等温化した（通称「爆板」）。

図3.層構造破壊（「爆板」）時間試験

厚さ0.33 mmのPCボードのXY軸方向の熱膨張係数：

XY平面におけるPCチップの膨張試験にもIPC実験方法を用いた：2.4.41電子絶縁材料の線形熱膨張係数、この方法はASTM方法D 696に基づいて、小さいサイズのサンプル1に適用する。同様に、サンプルは分析前に化学的洗浄または浸食処理を受けていない。膨張モードでテストし、ベースライン控除は必要ありません。図4は、XY平面の熱膨張係数CTEとガラス転移Tgの解析結果を示す。明らかではないガラス転移領域は、ガラス繊維フィラー（同様にコーティングもある）が配線板の膨張を抑制する効果があることを示している。

図4.PCチップXY軸方向膨張

ポリイミドフレキシブル回路基板：

ポリイミド（PI）は耐高温プラスチックであり、回路基板間のフレキシブルな接続に使用できる。導電通路はそれに印刷することができ、性能劣化が起こりにくく、ガラス転移温度が高いことは、材料が広い温度区間で寸法が安定していることを意味する。本実験で用いた標準方法は：IPC-TM-650 2.4.24.5高密度内接（HDI）と微小盲孔材料のガラス転移温度と熱膨張-TMA方法1である。

30マイクロメートル厚のポリイミドフィルムサンプルを細切りにし、ブレードを用いて長手方向と断面に沿って切断した。特殊な装填治具を用いて、サンプルの平坦な加持にしわがないことを確保し、引張モードで各サンプルを分析した（サンプル幾何形状は図5に類似）。

図5.フィルムサンプルの延伸モードでの取り付け

サンプルは繰り返し加熱することにより熱状態の安定を保証し、分析結果は図6を参照し、CTEをテストする前にベースラインを差し引いてサンプル取付具の膨張影響を除去した（ベースラインは炉体材質の膨張係数と同じ石英サンプルのテスト結果に由来する）。

図6.ポリイミドフィルムの縦方向の熱膨張係数とガラス転移

図7はポリイミドについて同じ実験条件で試験したデータを示しているが、今回分析したサンプルは縦に垂直な方向から切り出した。

図7.ポリイミドフィルム断面方向の熱膨張係数

TMA 4000及び対応する標準方法を用いて電子工業の困難なサンプルを分析した結果、TMA 4000は簡便かつ正確に測定できることが分かった。TMA 4000が採用した技術は、試練に耐えうる感度、信頼性、低メンテナンスコストを提供する。

参考文献：

1.『IPC-TM-650試験方法マニュアル』、電子線の内接と包装研究所、サンダースロード2215号、ノスブルック、イリノイ60062-6135。