差热分析与PCB基板玻璃过渡

2020年3月4日

差动热分析用热膨胀膨胀计

这个膨胀计是用来测量液体和气体的热膨胀系数的

热膨胀是一种无处不在的物理现象，它无声无息地发生在我们身边，但除非我们进行精确测量，否则我们很难注意到。无论测量与否，PCB中的组件都会散热并将热量传递给导体和基板。PCB基板和PCB中的导电结构将随着板的工作和加热到高温而膨胀。

热膨胀是PCB基板材料数据表中引用的许多物理特性之一，但这个值通常是许多设计人员事后才想到的。如果您的电路板将在高温环境中工作，您将需要注意PCB基板和导体的热膨胀系数(CTE)，以避免玻璃化转变。在某些情况下，选择具有较高玻璃化转变温度的衬底材料将更有意义，以防止对薄导体施加不适当的应力，并有希望避免电路板故障。差热分析是一种可以用来测量这些和其他物理性质的技术。

什么是差热分析?

差热分析是一种精确测量材料温度变化及其与热力学性质关系的技术。样品的放热或吸热变化可以通过检测被测物质与惰性参考物质之间的温差来检测。相变、玻璃化、结晶和聚合等效应。

差热分析测量需要比较测试材料和参考材料之间的两次温度测量值。这两种材料被安装在一个加热的房间里，通常是在惰性气氛中，并且在指定的范围内增加房间的温度。每种材料的温度都可以用热电偶来采集。在测试过程中，基准物质在相关温度范围内不应出现任何相变、结晶变化或其他热力学变化。

测试材料和参考材料之间的测量温差随时间或炉温绘制，称为DTA曲线。DTA曲线上会出现峰谷，这些峰谷可以与测试材料的一些热力学变化相关联。转变过程中DTA曲线下的面积等于材料的焓变。这使得相变或结晶/聚合转变在DTA曲线中很容易被识别。在加热速度非常快的情况下热导率和/或测试材料的比热也可以从DTA曲线中提取。

差热分析温度曲线

差热分析装置(左)和差热分析曲线(右)

的玻璃化转变温度PCB基板或其他材料中的(Tg)也可以在DTA曲线中识别为吸热现象(即DTA曲线中的下降)。在固体复合材料/高分子材料中会出现玻璃化转变(即在熔点之前)。在固相中，结晶或晶体相变将在DTA曲线上表现为放热峰，使其易于与玻璃相变区分开。在熔点以上，聚合物交联也以放热转变的形式出现。了解如何识别这些不同的过渡提供了一种简单的方法来识别PCB基板中的玻璃过渡，而无需进行体积测量。

差热分析曲线

为什么测量CTE和Tg值?

当你的电路板工作并加热到高温时，基材和铜会膨胀，就像任何其他材料一样。PCB基片和铜以不同的速率膨胀，即它们具有不同的CTE值。例如，FR4沿垂直方向(垂直于板表面)的CTE值为~70 ppm/K，而铜仅在~16 ppm/K时膨胀。随着板的膨胀，随着温度的升高，基底对铜结构施加了更大的应力。一旦衬底温度高于玻璃化转变温度，衬底的CTE值进一步增加，随着衬底温度的增加，导体受到的应力更大。

在厚导体和低纵横比镀通孔的板中，热膨胀不是这样的问题，直到达到玻璃过渡点以上的极端温度。然而，热膨胀是已知的导致断裂在颈部人类发展指数的董事会当通径比很高(~8或以上)时，在通径桶中。

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