何謂玻璃轉移溫度(Tg, Glass Transition Temperature)

何謂玻璃轉移溫度(Tg, Glass Transition Temperature)

玻璃轉移溫度(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節運動時的溫度。

若應用溫度低於玻璃轉移溫度(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移溫度(Tg)時,分子鏈節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)。因此玻璃轉移溫度(Tg)一般為塑料發生在【玻璃態-橡膠態】相轉移時之溫度。







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移溫度(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「玻璃轉移」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「玻璃轉移溫度(Tg)」時通常會取其在整個「玻璃轉移」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。

玻璃化轉變的DSC曲線

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。

Aufheizung_von_PVC580


延伸閱讀:
Flexural Strength(彎曲強度)
Tensile Strength (拉伸強度)
Izod Impact Strength (耐衝擊強度)
塑膠的特性整理 ─ 物理特性、機械特性
密度(Density)解釋與ASTM-D1505及ISO-1183密度測定介紹

訪客留言內容(Comments)

你好,文中涉及到的两处HDT略有不同。这是否正确?

Wong,
謝謝提醒。

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.

Ray,
為什麼你會認為Tg與CTE有關係呢?
星期一會發表一篇CTE相關的文章,建議你先弄清楚Tg(玻璃轉移溫度)是什麼CTE(膨脹係數)又是什麼。

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.

Ray,
不曉得為何你一定要得看CTE或α2-CTE,相對於PCB 變形量來說,PCB的CTE是非常小的(α2-CTE之上限為300PPM/℃)。如果是BGA斷頭,建議要觀察其斷裂的位置在Ball的哪個位置,同一顆Ball斷裂的位置不一樣,其原因也不一樣,大體可以區分斷在PCB處,斷在錫球中間處,斷在BGA封裝處,每個地方的斷裂又可以細分是外力撕開還是吃錫不良,如果是PCB端或BGA 封裝處又可以再看是斷在IMC處還是其他地方
如果硬要看PCB的CTE,還得區分是X-Y 方向的CTE還是Z方向的CTE,各自會產生的結果也不一樣,Z-CTE只會拉扯PCB 層間連接處,X-Y-CTE才可能影響會BGA 錫球,我的經驗裡只有COB這類Wire Bonding細小的焊球會因為CTE而造成影響,一般BGA封裝的錫球還沒聽說過CTE會影響焊性。
也許你的例子比較特殊吧!又或許你的問題是我沒碰過的。

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!

Ray,
BGA會發生斷裂(雙球(HoP或HIP)不在此列)一定是應力造成,應力又分為內應力及外應力,通常為外應力,外應力來源有板彎板翹、重擊、落下…等。
跟Tg相關的,一般就是板彎板翹,一片板子過第一次Reflow時稍微變形,過第二次Reflow後嚴重變形,板子變形後又被那去做測試及安裝在機殼內,原本已經變形的板子又被強迫扳回正成的樣子,不過BGA的錫球已經定型,然後就發生斷裂,這是最典型的BGA錫球斷裂的原因。
不曉得你如何確認第一次ReflowBGA錫球沒有斷裂,而是第二次Reflow時才斷裂?因為電氣上還無法測試第一次Reflow後的板子。
如果你的BGA錫球是在板子測試或機殼組裝時才發生斷裂,我會強烈建議你去量測「應力-應變」分析(Strain-Gauge),看看板子在側是治具內及被組裝到機殼內的變形量有多大。

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!

Ray,
貴公司這樣的測試方法是不嚴謹的,因為無法確認做第二次Reflow切偏的板子在第一次Reflow時真的沒有問題,除非數量做得夠多,可以有明顯差異,或是第一次Reflow的切片完全沒有問題,但到了第二次Reflow時就全裂開。
其實我們是覺得板子變形機會大一點,BGA的錫球凝固後,電路板會漸漸回溫然後變形也會慢慢恢復,如果從BGA的錫球凝固到板子恢復常溫時的變形量夠大也會產生錫裂的情形。
板子變形的因素很多,Tg只是其中一項,最大的問題在板子上面銅箔分佈不均與結構不對稱。
如果A、B兩PCB廠,一家有問題一家沒問題,請有問題的那家將材料及疊構盡量做成同沒問題的那家,然後再安排實驗計畫確認效果。
如果真的非要找出原因,可以考慮找工研院或是實驗室資訊看看該如何驗證,把所有的可能列出來,然後一項一項排除,這樣才是解決問題的方法。


訪客留言注意事項:
1.首次留言須通過審核後內容才會出現在版面上,請不要重覆留言。
2.留言時請在相關主題文章下留言,與主題不相關的留言將會被視為垃圾留言,請善加利用【搜尋框】尋找相關文章,找不到主題時請在「水平選單」的「留言板」留言。
3. 留言前請先用【搜尋框】尋找相關文章,自己做一點功課後再留言。沒有前因後果的內容,工作熊不一定會瞭解你在說什麼,就更無法回答你的問題。
4. 工作熊並非某一方面的專家,所以回答的內容或許會有不正確的地方,服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題,前先參考這篇文章【詢問工程問題,請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問,並且請提供足夠的資訊,這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看,但不會每則留言都回答,尤其是只有問候之類的內容。
6. 留言詢問時請注意您的態度,工作熊不是你的「細漢」,更沒有拿你的薪水,所以不接受吆喝工作熊的態度來回答你的問題。
7. 歡迎您訂閱本部落格的最新文章,當有新文章時會主動以電子郵件通知你。

您有話要說(Leave a comment)

(required)

(required)