FR-4型覆铜板动态力学参数测量及影响分析

黄 璇，赵 威，杨 婷，刘 芳

FR-4型覆铜板动态力学参数测量及影响分析

黄 璇，赵 威，杨 婷，刘 芳*

（武汉纺织大学 机械工程与自动化学院，湖北 武汉 430200）

以FR-4型覆铜板为试验对象，开展不同条件下其储能模量、损耗模量、损耗因子和玻璃化转变温度的动态力学参数测试，研究了温度、扫描频率、加载模式以及升温速率对覆铜板动态力学参数的影响。结果表明：随温度升高，储能模量趋势是先慢慢减小最后急剧降低，而损耗模量和损耗因子随温度升高先增加再下降；扫描频率越高，储能模量越大，损耗因子峰值越高，玻璃化转变温度Tg也越高；三点弯曲测得的储能模量大于双悬臂梁模式；升温速率增加，覆铜板的储能模量减小，玻璃化转变温度Tg变高，损耗因子的峰值降低。

覆铜板；DMA；储能模量；损耗模量；玻璃化转变温度；损耗因子

随着电子产品的高密度化、集成化，对安装电子元器件所必需的高性能电路基板-覆铜板的需求不断扩大，特别是FR-4型覆铜板需求量占比非常大[1]，因此研究FR-4型覆铜板的动态力学性能具有重要意义。

动态力学分析仪是在程序控温下，测量材料在振动条件下的动态力学参数随温度、频率变化的一种仪器[2]。储能模量E'表征材料的刚度，损耗模量E"反映粘弹性材料的粘性，损耗因子tanδ表征材料的阻尼系数，玻璃化转变温度Tg表征材料的耐热性能。杨拓等[3]研究了升温速率、样品厚度对高Tg板储能模量和玻璃转化温度的影响。韩宝坤等[4]测定了高聚物材料储能模量和损耗模量随频率变化曲线。但是目前很少研究温度、频率、升温速率和加载模式对FR-4型覆铜板动态力学参数的影响。

1 实验

实验仪器采用DMA+450动态热机械分析仪。试样是4块长方体样条的覆铜板，尺寸为长×宽×高=44×10×1mm。选用实验模式为多频-温度-应变模式，测试条件如表1所示，温度范围分别为－55℃~125℃和－55℃~200℃，升温速率分别为3℃/min、5℃/min，考虑试样的模量范围，加载方式选用双悬臂梁和三点弯曲模式（三点弯曲模式所需静态力30mN，双悬臂梁模式无需静态力），扫描频率分别为0.5Hz、1Hz、2Hz、5Hz、10Hz，采用液氮降温。

表1 四种不同测试条件

2 实验结果与分析

2.1 FR-4型覆铜板的储能模量E'分析

图1（a）是试样1在不同扫描频率下的动态力学温度谱，图1（b）是试样1和3在扫描频率为1Hz时的动态力学温度谱，图1（c）是试样3和4在扫描频率为1Hz时的动态力学温度谱。从图1（a）可知，随着扫描频率的增加，试样的储能模量增加，其原因是，频率较高时，对试样施加应力的时间较短，试样在短时间内对应力作出应变响应的应变比要比在频率较低时和静态下小得多，因此试样的储能模量在高频下比在低频下高。

图1 不同测试条件对FR-4型覆铜板储能模量的影响

从图1（a）还可看出，除受频率影响外，覆铜板储能模量还受温度的影响。随着温度升高，覆铜板的储能模量逐渐降低，最后急剧减小，其原因是，温度较低时，试样处于玻璃态，分子运动能量低，不足以使大的运动单元-链段运动，只能使主链的键长和键角有微小的改变，此时的储能模量较高，材料不易变形，随着温度升高，试样进入高弹态，分子热运动能量逐渐增加，链段运动被激发，储能模量逐渐降低。

从图1（b）可看出，随着升温速率加快，试样的储能模量下降，其原因是随着升温速率加快，材料小分子运动速率加快，应力松弛时间减少，松弛强度提高，即保证在一定应变的情况下，应力变小，故储能模量变小。

覆铜板的储能模量在不同的加载模式下差异较大，从图1（c）可以看出，三点弯曲测得的储能模量大于双悬臂梁模式，其原因是，在试件相同的情况下，三点弯曲模式所需静态力30mN，双悬臂梁模式无需静态力，所以三点弯曲的变形大于双悬臂梁，回弹能力也大于双悬臂梁，储能模量表示材料的回弹性能，因此三点弯曲测得的储能模量大于双悬臂梁。

2.2 FR-4型覆铜板的损耗模量E"分析

图2是试样1、2、3和4在扫描频率为1Hz时的动态力学温度谱。可以看出，随温度升高，覆铜板损耗模量先增后减，在玻璃化转变温度Tg附近达到一个峰值，其原因是，在玻璃化转变温度Tg之前，分子链段运动被冻结，链段间的运动不必为克服摩擦力消耗能量，损耗模量较小，在玻璃化转变温度Tg之后，分子链段自由运动，链段运动所需克服的摩擦力不大，损耗模量较小，只有在玻璃化转变温度Tg范围内，材料由玻璃态向高弹态转变时，链段充分运动但又需要克服链段间的摩擦力，损耗模量达到其峰值。

图2 FR-4型覆铜板损耗模量随温度变化曲线

2.3 FR-4型覆铜板的损耗因子tanδ分析

图3 不同测试条件对FR-4型覆铜板损耗因子的影响

图3（a）是试样1在不同扫描频率下的动态力学温度谱，图3（b）是试样1和3在扫描频率为1Hz时的动态力学温度谱。从图3（a）可以看出，频率从0.5Hz到10Hz，频率增加，损耗因子的峰值向高温方向移动且峰值略有升高；随着温度升高，损耗因子先增后减，在玻璃化转变温度Tg附近达到一个峰值，损耗因子随温度升高的变化趋势和损耗模量基本一致，变化原因也相同。

从图3（b）可看出，损耗因子的峰值随着升温速率加快而降低，其原因是，在玻璃化转变温度Tg以下，试样处于玻璃态，在玻璃化转变温度Tg以上，试样处于橡胶态，升温速率的加快会加大试样内部和外部的温度差，当试样内部的温度到达玻璃化转变温度Tg时，试样外部已经处于橡胶态，或者说当试样外部达到玻璃化转变温度Tg时，试样内部还处于玻璃态。试样在玻璃化转变区时，分子链段的运动跟不上外力的变化，应变落后于应力，需要较高的内耗，而试样处于橡胶态或者玻璃态时所需内耗较小，因此试样内部和外部的内耗叠加变小，损耗因子随之降低。

2.4 FR-4型覆铜板的玻璃化转变温度Tg分析

图4 不同测试条件对FR-4型覆铜板玻璃化转变温度的影响

图4（a）是试样2在不同扫描频率下的动态力学温度谱，图4（b）是试样2和4在扫描频率为1Hz时的动态力学温度谱。Tg有三种定义方式[5]：储能模量曲线上折点对应的温度，损耗模量峰值对应的温度，tanδ峰值对应的温度，由此获得的三个Tg值依次增高，常用tanδ峰值对应的温度是作为玻璃化转变温度。

从图4（a）可看出，随着扫描频率的增加，损耗因子的峰值向高温方向移动且峰值略有升高，这意味着试样的玻璃化转变温度Tg随着频率的升高而增加，在动态力学分析中，判断运动单元是否自由运动，关键取决于运动的松弛时间与观察时间之比[6]，即可以通过改变温度来改变运动单元松弛时间τ或改变频率来改变观察时间（t=1/2πf）反映材料当前状态。当t≈τ，材料发生玻璃化转变，频率f变高，观察时间t变小，运动单元松弛时间τ变小。只有温度相应升高，运动单元松弛时间才会变小，因此，频率越高，发生玻璃化转变的温度越高。

从图4（b）可看出，随着升温速率加快，玻璃化转变温度Tg升高，由时间－温度等效原理可知：在相同的温度范围内，升温速率的加快减少了温度变化时间，即缩短了观察时间，随着温度逐渐升高，运动单元松弛时间会降低到与观察时间一致，试样发生玻璃化转变，而且升温速率越高导致试样内部和外部温差越大，当试样内部处于玻璃态时，实验显示试样内部玻璃化转变完成，使Tg增高。

3 结论

本文研究了温度、扫描频率、加载模式以及升温速率对FR-4型覆铜板动态力学参数的影响规律，获得如下结论：

（1）在所测试的频率和温度范围内，随温度升高，储能模量先缓慢降低，最后再急剧减小；损耗模量和损耗因子变化趋势一致，随温度升高先慢慢减小，随后出现峰值，再慢慢减小。

（2）在所测试的频率和温度范围内，随着升温速率增加，试样储能模量变小，玻璃化转变温度Tg升高，损耗因子峰值降低。

（3）试样在不同的加载模式下储能模量存在差异，三点弯曲测得的储能模量大于双悬臂梁模式。

（4）试样在温度范围为-55℃-200℃内，随着扫描频率增加，储能模量增加，损耗因子的峰值向高温方向移动且略有升高，即材料发生玻璃化转变的温度越高。

[1] 祝大同. 我国覆铜板用环氧树脂消费量现况及对其品种的新需求[J]. 覆铜板资讯, 2015, (3):46-49.

[2] 季轩, 周丽华, 王伟，等. 纤维材料动态热机械性能分析方法的研究[J]. 合成技术及应用, 2020, 35(1):58-60.

[3] 杨拓, 陈蓓. 不同因素对动态热机械分析仪(DMA)测试结果的影响[J]. 印制电路信息, 2011, (A1)：19-23.

[4] 韩宝坤, 张婷婷, 曹曙明. 高聚物材料动态模量测量与分析[J]. 噪声与振动控制, 2012, (5): 198-202.

[5] 过梅丽. 高聚物与复合材料的动态力学热分析[M]. 北京：化学工业出版社，2002. 43-44.

[6] 吕珏, 冯捷敏. 测试条件对环氧树脂损耗因子和玻璃化转变温度的影响[J]. 上海塑料, 2016, (02): 25-29.

Dynamic Mechanical Parameter Measurement and Influence Analysis of FR-4 Copper Clad Laminate

HUANG Xuan, ZHAO Wei, YANG Ting, LIU Fang

(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

The dynamic mechanical parameters of FR-4 copper clad laminate are measured under different conditions, including storage modulus, loss modulus, loss factor and glass transition temperature. The effects of temperature, scanning frequency, loading mode and heating rate on dynamic mechanical parameters of copper clad laminate are studied. The results show that with the increase of temperature, the storage modulus decreases slowly and finally decreases sharply. The loss modulus and loss factor increase first and then decrease with the increase of temperature.The higher the scanning frequency, the higher the storage modulus, the higher the loss factor, and the higher the glass transition temperature Tg.The measured energy storage modulus of three-point bending is larger than that of the double-cantilever beam model. As the heating rate increases, the storage modulus of the copper clad laminate decreases, and the glass transition temperature Tg increases, The peak loss factor is reduced.

Copper clad laminate; DMA; storage modulus; loss modulus; glass transition temperature; loss factor

刘芳（1976-），女，教授，博士，硕士生导师，研究方向：振动冲击分析与控制，电子封装可靠性.

国家自然科学基金（51775388）.

TN41

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2095－414X(2020)06－0014－04