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何謂玻璃轉化溫度(Tg, Glass Transition Temperature)
玻璃轉化溫度(Glass Transition Temperature,Tg)是所有塑膠及環氧樹脂材料最重要的特性之一,其實Tg值也是PCB的玻璃纖維布的品質指標之一,不過相較於HDT(Heat Deflection Temperature)似乎又沒有那麼重要了,Tg值一般泛指塑料微觀中高分子鏈開始具有大鏈結運動時的溫度。
若應用溫度低於玻璃轉化溫度(Tg)時,分子鏈節的運動大部分會被凍結(frozen),呈現出較多的晶格狀排列,塑料則會呈現出剛性具硬脆(brittle)特性之玻璃態(glassy state)。沒錯就類似玻璃的特性,堅硬但容易脆裂。
若應用溫度高於玻璃轉化溫度(Tg)時,分子鏈結則會有更多的自由度可以運動,塑膠件則會呈現出柔軟可繞曲的橡膠態(Rubbery state)。因此玻璃轉化溫度(Tg)一般為塑料發生在【玻璃態-橡膠態】相轉換時之溫度。
所以Tg溫度與塑膠產品的設計及運用之溫度範圍有非常大的關係。一般而言固體塑膠件的應用溫度範圍通常會取在玻璃轉化溫度(Tg)以下,若對塑料繞曲柔軟性有需求者,如橡膠,則應用溫度會選取在玻璃轉化溫度以上,但在熱變形溫度以下。
要注意的是「玻璃轉化」過程基本上是一段溫度區域而非特定的單一溫度,相對的HDT則會指向固定溫度,不過一般我們在定義「玻璃轉化溫度(Tg)」時通常會取其在整個「玻璃轉化」溫度區域的中點(middle point)。
量測Tg溫度的時候一般採用ASTM-E1356的【DSC (Differential Scanning Calorimetry, 差示掃描量熱法 )】方法,這是一種熱分析的技術, 藉助補償器測量使樣品與參考比較物達到同樣溫度所需的加熱速率與溫度的關係畫出曲線,然後計算得到Tg值。
Tg值的計算
參考上圖,當溫度逐漸升高,通過高分子聚合物的玻璃化轉變溫度,DSC曲線上的基線會向著吸熱方向移動。圖中A點是開始偏離基線的點。將轉變前、後的平坦基線延長,兩線之間的垂直距離就是階差ΔJ,在ΔJ/2處可以找到C點,從C點作切線與前基線相交於B點,B點所對應的溫度值即為玻璃化轉變溫度Tg。
不過似乎也有很多人直接拿C點來當作Tg溫度,因為計算比較簡單,反正Tg就是一個參考溫度而已,而且一般B點與C點的溫度差異值也不大。
下圖是維基百科關於PVC的DSC曲線,使用B點或C點計算出來的Tg溫度只有0.1°C的差異,因為在整個DSC曲線中,Tg溫區其實就是一個小漣漪而已。
延伸閱讀:
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訪客留言內容(Comments)
// Begin Comments & Trackbacks ?>您好,請問PCB Tg 和 CTE 間的關係要如何解釋呢? 例如: 某 PCB 的solder mask Tg 為 97.3 ce, α2 CTE 為 143 ppm/ce
是指當溫度到了97.3度時,每上升一度會有143ppm的變形量 ?
Thanks.
您好,因為我的認知是,Tg 以上是看α2-CTE,所以才會這樣問
請問如果第二次reflow 發生BGA 斷頭的結果 (第一次都沒有斷),通常是否跟Tg造成的 warpage 比較有關,也就是說PCB 的PP CTE比較沒有關係? 但如果某A的PCB solder mask 的 Tg 比某B 的Tg 還低,BGA剛好都是發生在A的部分,有機會解釋為這邊的Tg是有關連的嗎?
Thanks.
謝謝回覆。會看CTE的原因是因為A,B 兩家PCB只有solder mask Tg 較低且CTE較高的那個發生斷頭的機率相對高非常多 (當然crack還有其他複合因子),發生的位置是位於IMC層最靠solder ball的那層,也就是(Ni,Sn)層,我不確定是否跟CTE有關,但總感覺有很大機率是兩家板子的特性有差異所造成,如果以經驗談CTE造成的差異很小,那麼如果是看Tg的差異,或許可以用warpage觀點來解釋,對嗎? 謝謝!
您好,抱歉沒有詳述清楚
BGA crack 是在第二次reflow 之後經由cross section or dye and pry analysis 確認確實有發生,尚未接續到後面任何製程,所以是單純過完2nd reflow 之後斷的,第一次reflow 之後,也有做過關的cross section or dye and pry analysis 確定都沒有看到,故才斷定為第二次。目前推斷為熱應力所造成,懷疑是2nd reflow process BGA package, PCB 的 CTE mismatch 和warpage原故。如果您有其他的想法,再請提出討論,謝謝!
您好,
請教一下針對Tg對reflow時的影響,有一派說法是”PCB壓合時當溫度到達Tg固化後, 材料固化完全,可以達到材料本身设计的耐热性能, 在reflow就不會受到影響”。 這個觀點對不對?
感謝您的回覆
熊大大您好,
有兩個問題想請教:
1. 在您的文章:pcb爆板…一文中
(https://www.researchmfg.com/2014/04/pcb-popcorn-prevention/)有提到delamination, 這個分層的現象分布的狀態是在樹脂的位置嗎?
2.承上, 如果照爆板一文所提, 是否代表板廠出貨給系統廠收料時, 可能就有爆板問題, 可是系統廠只能用IPC-A-610G的規範去檢驗扭曲和翹曲然後允收或判退,但要如何才能針對爆板的問題去檢驗?因為如果看不出爆板然後要取來做reflow, 這不就問題大了?
(這2個問題會放在這問是因為此兩文都和Tg有關)
感謝您的回覆
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你好,文中涉及到的两处HDT略有不同。这是否正确?