02.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph, Gabriele Stock
熱機械分析を用いた電子アセンブリの品質管理
電子アセンブリの故障の主な原因は、熱膨張とそれが引き起こす問題である。回路ベース基板が一定の品質に適合していることを確認するため、熱膨張率、ガラス転移点、軟化点の測定を要求するIPC規格が設けられました。新しいTMA 402F3 Hyperion® ポリマー版で、規格に準拠する方法をご覧ください。
電子アセンブリの故障の主な原因は、熱膨張とそれが引き起こす問題です。熱機械分析は、このような製品の不具合を回避するのに役立ちます。
FR4 - 電子産業で最も一般的に使用される複合材
FR4(FR=難燃性)およびその誘導体(FR2、FR3、FR5)は、電子回路基板や電子アセンブリの基材として最も広く使用されている。FR4の裏打ち材料は薄い布のようなシートに編まれるガラス繊維からある。ガラス繊維は難燃性のエポキシ樹脂で含浸される。その結果、低コストの複合材料は剛性が高く、確実に絶縁し、ほとんどの環境条件下で優れた性能を発揮する。その反面、エポキシ樹脂マトリックスは補強用ガラス繊維よりもTgが低く、熱膨張係数が高いため、回路基板が製造工程や使用中に何度か熱サイクルを受けると軟化・膨張する傾向がある。これは、プレスされた材料コンパウンドの部分的な剥離につながる可能性があり、ひいては接合不良や層間剥離につながる。その結果、通常はアセンブリの不具合につながります。熱機械分析（TMA）は、回路基板ベース、電子部品、部品材料の熱膨張を測定するのに適した方法です。
回路ベース基板が一定の品質に適合していることを確認するため、IPC規格が制定され、熱膨張率、ガラス転移点、軟化点の測定が義務付けられました［IPC-TM-650 2.4.24.1 Time to Delamination（TMA法）参照］。
CTEとTg- FR4コンポジットの品質管理における2つの重要な値
FR4のようなポリマー複合材料の品質保証にとって重要な材料特性は、ガラス転移温度（Tg）である。これは、エポキシ樹脂の構造が軟化し始める温度です。Tg値に達するとすぐに、材料はより膨張し始め、通常は固体状態の2～3倍になります。熱機械分析（TMA）は、ポリマー、エラストマー、複合材料など様々な材料の膨張挙動と軟化温度を研究するための完璧なツールです。熱膨張係数（Coefficient of Linear Thermal Expansion (CLTE/CTE) - 線膨張係数The coefficient of linear thermal expansion (CLTE) describes the length change of a material as a function of the temperature.CTE）やガラス転移温度、粘弾性特性に関する基本的な情報が得られます。この方法は非常に感度が高く、示差走査熱量測定（DSC）では検出できないこともある、弾性率の変化、硬化、剥離に関連する弱い物理転移を測定することができます。
そのため、品質管理に最適な方法です。FR4の最高処理温度を試験することで、部品製造中にプリント回路基板（PCB）が損傷する確率を減らすことができます。
剥離までの時間 - 目に見える製品不良
プリント基板は、リフローはんだ付け炉などでの組み立て時に熱応力を受けます。剥離までの時間は、特定の用途のために材料を選択する際に重要です。下図は、剥離までの時間を記録したFR4サンプルの測定結果です。測定は2回行われました。いずれも試料を試験温度まで加熱した。その後、1つは260℃（IPC規格による）の等温に保ち、もう1つは300℃の等温に保ちました。260℃の最初の測定（緑色の線）では、TMAは測定終了まで平坦な曲線を維持し、剥離を検出しなかった。しかし、より高温の300℃では、製品の劣化が確認された。2つ目の測定では、300℃の等温に保持した後、剥離までの時間を18.1分と記録しています。TMAは剥離を明確に検出しますが、試料の物理的検査では、試験前後の異なる試料を撮影した写真に見られるように、若干の変色が見られるだけです。
欧州連合（EU）で「有害物質使用制限指令」2002/95/EC（RoHS 1）が施行されて以来、この試験は特に重要になっている。電子・電気機器の場合、これは例えば鉛を含むはんだの使用に影響する。EU市場で生産または販売される機器は、鉛を含まないことが義務づけられた。これは、FR4を含むすべての部品に要求される熱安定性に大きな影響を与えた。
鉛フリーはんだの製造工程では、最高260℃のリフロー温度が要求されるようになった。以前のリフロー温度は240℃であった。この研究に使用されたFR4は、300℃に達するまで剥離の影響が検出されなかったため、有鉛はんだと無鉛はんだの両方に適している。しかし、現在電子回路基板や電子組立品の基材として使用されているすべての材料が、鉛フリープロセスの新たな要件に耐えられるとは限らない。
TMAを用いた上記の調査は、製品の不具合を回避し、顧客に高品質の製品を供給するために、層間剥離までの時間を決定することがいかに重要であるかを示しています。熱機械分析は、材料の適合性を試験するためにIPC規格に従って適用されます。新しいTMA 402F3 Hyperion® Polymer Editionは、幅広いポリマー材料を測定するために特別に設計されており、電子部品業界の品質管理ニーズに適しています。
