IEC 61189-2-8092024 电气材料、电路板和其它互连结构和组件的试验方法 第2-809部分用TMA法测定厚基材的XY热膨胀系数(CTE)试验标准立项发展报告

电气材料、电路板和其它互连结构和组件的试验方法第2-809部分：用TMA法测定厚基材的X/Y热膨胀系数（CTE）试验标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:TestMethodsforElectricalMaterials,CircuitBoardsandOtherInterconnectionStructuresandAssemblies–Part2-809:X/YCoefficientofThermalExpansion(CTE)TestforThickBaseMaterialsbyTMA摘要随着电子制造技术向高密度集成、多层化和宽频化方向快速发展，印制电路板及各类电气互连结构对材料尺寸稳定性的要求日益严苛。热膨胀系数（CTE）作为表征材料在温度变化下尺寸变化规律的核心参数，直接影响印制电路板在热循环工况下的层间对准精度、金属化孔可靠性及整体使用寿命。然而，针对厚度大于3mm的厚基材，传统热机械分析（TMA）试验方法在试样制备、夹持方式及数据处理等方面面临显著的尺寸效应挑战，国际电工委员会（IEC）现有标准体系在该领域存在方法空白。本标准立项旨在建立统一的厚基材X/Y方向CTE测定方法，明确试样尺寸、升温速率、夹持方式及数据计算规则，填补IEC61189系列标准在厚板测试领域的方法缺口。通过规范性试验流程与精密度要求，本标准将有效提升不同实验室间测试结果的可比性和复现性，为高频高速材料研发、多层板工艺控制及可靠性评估提供权威的技术依据。关键词：热膨胀系数；热机械分析；厚基材；印制电路板；互连结构；IEC标准；尺寸稳定性AbstractWiththerapidadvancementofelectronicmanufacturingtechnologiestowardhigh-densityintegration,multilayerarchitecture,andbroad-frequencyoperation,thedimensionalstabilityrequirementsforprintedcircuitboardsandvariouselectricalinterconnectionstructureshavebecomeincreasinglystringent.Thecoefficientofthermalexpansion(CTE),asacoreparametercharacterizingdimensionalchangesofmaterialsundertemperaturevariation,directlyaffectslayer-to-layerregistrationaccuracy,platedthrough-holereliability,andoverallservicelifeofprintedcircuitboardsunderthermalcyclingconditions.However,forthickbasematerialswiththicknessgreaterthan3mm,conventionalthermomechanicalanalysis(TMA)testmethodsfacesignificantsize-effectchallengesinspecimenpreparation,clampingconfiguration,anddataprocessing,leavingamethodologicalgapintheexistingIECstandardframework.ThisstandardinitiativeaimstoestablishaunifiedtestmethodfordeterminingtheX/Y-directionCTEofthickbasematerials,specifyingspecimendimensions,heatingrates,clampingconfigurations,anddatacalculationrules,therebyfillingthemethodologicalgapintheIEC61189seriesforthick-boardtesting.Throughstandardizedtestproceduresandprecisionrequirements,thisstandardwilleffectivelyenhanceinter-laboratorycomparabilityandreproducibilityoftestresults,providingauthoritativetechnicalsupportforhigh-frequencyandhigh-speedmaterialdevelopment,multilayerboardprocesscontrol,andreliabilityassessment.Keywords:coefficientofthermalexpansion;thermomechanicalanalysis;thickbasematerials;printedcircuitboards;interconnectionstructures;IECstandards;dimensionalstability一、标准立项背景与意义1.1行业发展趋势与测试需求近年来，第五代移动通信（5G）、高性能计算、新能源汽车电子及航空航天电子等领域的快速发展，推动印制电路板朝着高层数、大厚度、高密度互连方向持续演进。厚铜板、背板及厚多层板等厚基材在电力电子、通信基站及军工装备中应用日益广泛，其厚度通常超过3mm，部分特殊应用场景甚至达到10mm以上。此类厚基材在制造和服役过程中需经历多次热循环，材料在X/Y方向（即板面平面方向）的热膨胀行为直接关系到层间对准精度、微孔可靠性及焊点完整性，已成为产品质量控制的关键指标。热机械分析（ThermomechanicalAnalysis，TMA）作为测量材料热膨胀系数的经典方法，具有灵敏度高、试样制备简便及可重复性好等优点。然而，当试样厚度增大至3mm以上时，TMA试验面临以下技术挑战：其一，厚试样在加热过程中的内部温度梯度增大，导致测得的热膨胀数据滞后于真实材料响应；其二，试样自身重量引起的压缩形变对膨胀信号的干扰不容忽视；其三，石英探头与试样上表面的接触状态及热传导效率发生变化，影响测量精度。上述问题使得直接将IEC61189-2中适用于薄板的试验方法应用于厚基材时，测量结果的准确性和可重复性难以保证。1.2现有标准体系分析IEC61189《电气材料、电路板和其它互连结构和组件的试验方法》系列标准是印制电路板领域国际通用的试验方法标准，由IEC/TC91（电子装联技术委员会）归口管理。该系列标准涵盖电气材料的物理、化学、机械及电气性能测试方法，其中第2部分专门针对电气材料的试验方法进行了系统规定。然而，现行IEC61189-2系列中关于热膨胀系数的测试方法主要依据IEC61189-2-807等条款制定，其适用对象以常规厚度（<3mm）覆铜板和基材为主，在试样厚度范围、升温程序及数据处理方面未对厚基材作出专门规定。与此同时，IPC（国际电子工业联接协会）TM-650系列方法及ASTME831标准虽对TMA测试热膨胀有所涉及，但各标准在试样尺寸要求、参考温度区间及计算口径上存在差异，导致不同标准下获得的CTE数据难以直接互换。在此背景下，制定一项专门针对厚基材X/Y方向CTE测定的IEC标准，有助于统一测试方法、规范数据表达，推动全球范围内厚基材热膨胀性能测试结果的一致性。1.3标准立项的战略意义本标准立项契合国家《标准化法》关于积极采用国际标准和先进国外标准的立法精神，符合《国家标准化发展纲要》提出的"推动标准化与科技创新互动发展，以标准助力高技术创新"的战略方向。在产业层面，建立厚基材CTE测试的统一国际标准，有利于国内印制电路板制造企业对标国际先进测试方法，降低国际贸易中的技术壁垒；有利于材料供应商提供准确可靠的CTE数据，支撑产品选型与设计仿真；有利于最终用户建立统一的材料验收准则，保障供应链质量一致性。同时，标准的发布也为后续开展实验室间比对试验（round-robintest）和测量审核提供了方法学基础。二、标准主要内容与技术方案2.1标准范围界定本标准规定了一种采用热机械分析仪测定厚度大于3mm的电气基材在X/Y方向（即板面内方向）热膨胀系数（CTE）的试验方法。标准适用于覆铜板基材、半固化片固化物、绝缘金属基板及各类用于电气互连结构的厚型平板材料。对于厚度不超过3mm的常规基材，现行IEC61189-2系列相关条款仍然适用；对于厚度超过10mm的特殊应用材料，建议在参考本标准基本原则的基础上，根据具体材料特性合理调整试验参数并予以说明。2.2方法原理本试验方法的原理基于热机械分析仪对试样尺寸变化的高精度测量。将具有确定初试尺寸的矩形试样置于TMA仪器的石英样品台上，施加一个微小的静态压缩载荷以确保探头与试样表面稳定接触。按照设定的升温程序对试样进行均匀加热，记录试样在X/Y方向上的尺寸变化量随温度变化的曲线（即热膨胀曲线）。在规定的温度区间内，热膨胀系数（CTE）定义为试样单位原始长度在单位温度变化下的长度变化率，以10⁻⁶/℃（即ppm/℃）为单位表示。测试过程中，TMA仪器所施加的静态载荷应控制在能够确保探头稳定跟随试样表面膨胀位移的最小值范围内，以避免载荷过大导致厚试样产生显著压缩形变而干扰膨胀信号。2.3试验设备与仪器要求标准对试验设备提出如下技术要求：热机械分析仪（TMA）：仪器应具备X/Y方向（水平方向）膨胀测量功能，长度测量分辨率不低于0.1μm，位移传感器精度应满足在满量程范围内误差不超过±1%。仪器应配备程序升温控制功能，升温速率可调范围为0.1℃/min至20℃/min，温度控制精度为±0.5℃。温度校准：仪器温度系统应采用高纯度铟（In，熔点156.6℃）、锡（Sn，熔点231.9℃）、铅（Pb，熔点327.5℃）或锌（Zn，熔点419.6℃）等高纯度标准物质进行校准。校准周期不超过6个月，温度偏差应控制在±1℃以内。试样尺寸测量工具：用于测量试样初始尺寸的千分尺或游标卡尺，精度不低于0.01mm。对于厚度测量，建议采用具有平面测砧的千分尺，测量压力应保持恒定。气氛控制：测试通常在氮气气氛下进行，气体流量为50～100mL/min。对于在空气中易发生氧化的材料，建议全程采用高纯氮气（纯度≥99.99%）保护。2.4试样制备与状态调节试样尺寸：标准规定试样应为矩形条状，推荐长度为25mm±0.5mm，宽度为5mm±0.2mm。试样厚度为材料原始厚度，即不小于3mm。当材料厚度超过TMA样品台承载高度限制时，可对试样厚度进行机械减薄处理，但最终厚度不应小于2mm，且减薄过程不得引起材料内部结构损伤或残余应力。试样两端面应平整、平行，端面垂直度偏差不大于0.05mm，以确保探头与试样端面在X/Y方向稳定接触。取样要求：试样应从板材中心区域及距边缘不小于50mm的位置截取，以避开边缘效应可能导致的性能不均匀区域。对于覆铜板材料，应明确记录铜箔是否去除以及去除方式。当测试目的在于评估基材本身的热膨胀性能时，建议采用化学蚀刻法去除铜箔，避免机械打磨引起基材表面损伤。状态调节：试样在测试前应在温度23℃±2℃、相对湿度50%±10%的标准大气条件下进行状态调节，调节时间不少于24小时。对于吸湿敏感材料，状态调节后应在干燥器中保存，并在取出后2小时内完成测试。2.5试验程序仪器准备：开启TMA仪器，按照仪器操作规程进行预热稳定。安装X/Y方向（水平方向）测量探头组件，并执行必要的基线校正程序。在校正模式下运行一个空白升温循环，以获得仪器的基线漂移曲线，用于后续数据修正。试样安装：将试样置于TMA样品台上，调整探头位置使其与试样测量端面（X或Y方向端面）轻轻接触。施加推荐静态载荷（通常为0.5～2.0mN，具体值依据仪器型号确定），保持探头与试样端面稳定接触。升温程序：以5℃/min的速率从室温（或30℃）升温至目标温度（通常为260℃或根据材料规格要求确定）。对于厚度大于5mm的试样，标准建议采用3℃/min的升温速率，以减小试样内部温度梯度对测量精度的影响。记录升温过程中试样长度变化随温度变化的数据点，数据采集频率不低于1Hz。数据记录：连续记录试样长度变化量（ΔL）与温度（T）的关系曲线。当温度达到目标值后，可立即停止加热并自然冷却至室温，数据处理完成后结束试验。2.6结果计算与表示CTE计算：在热膨胀曲线上选取规定的温度区间（通常为室温至Tg以下30℃，或由相关材料规范指定的温度范围），采用最小二乘法对温度-应变数据进行线性拟合，拟合直线的斜率即为该温度范围内的平均CTE值。CTE按下列公式计算：$$\alpha=\frac{\DeltaL}{L_0\cdot\DeltaT}$$式中：-α——平均线热膨胀系数，单位为10⁻⁶/℃（ppm/℃）；-ΔL——在温度区间ΔT内试样长度的变化量，单位为mm；-L₀——试样在起始温度下的初始测量长度，单位为mm；-ΔT——温度区间的温度差，即终止温度与起始温度之差，单位为℃。结果的表示：试验结果应包含以下信息：材料名称与规格、试样厚度、升温速率、测试氛围（气体种类及流量）、所选温度区间、三个平行试样（或按规范要求的其它数量）的CTE测量值、平均值及相对标准偏差（RSD）。每个试验条件下应至少测试3个平行试样，以平均值作为最终试验结果。平行试样间CTE测量值的相对偏差不应超过±5%，否则应检查试验条件并重新测试。2.7精密度与偏差标准的规范性附录给出了基于实验室间比对试验（round-robintest）确定的精密度数据。预期在相同实验室、相同操作者、相同设备的重复性条件下，CTE测量结果的标准偏差不超过平均值的±2%；在不同实验室间的复现性条件下，标准偏差不超过平均值的±5%。上述精密度数据是基于典型FR-4型厚基材在标准试验条件下的统计结果，实际精密度可能因材料类型、设备型号及操作水平的不同而有所变化。三、主要参与单位介绍本标准由IEC/TC91（电子装联技术委员会）归口管理。IEC/TC91成立于1990年代初期，是国际电工委员会下属专门负责印制电路板、印制电路板组件及电子装联技术领域标准制定的技术委员会，秘书处设于美国UlrichReinhold先生（IPC代表）名下。TC91的工作范围涵盖印制电路板用基材、导体材料、组装材料、连接材料及各类互连结构的产品标准和试验方法标准制定，其标准体系在全球电子制造产业链中被广泛采用。在国内层面，中国电子电路行业协会（CPCA）标准化工作委员会积极组织国内相关企事业单位深度参与IEC/TC91的国际标准制定工作。本标准制定过程中，来自中国、日本、韩国、德国及美国等主要电子制造国家的技术专家共同参与了草案讨论和技术验证工作。国内多家权威检测机构和骨干印制电路板企业结合自身厚板产品测试经验，为本标准中试样制备方法、升温程序优化及精密度验证提供了大量实验数据支撑。其中，工业和信息化部电子第五研究所（中国赛宝实验室）作为国内电子产品质量可靠性领域的权威研究机构，在本标准制定中发挥了重要作用。该研究所始建于1955年，是专业从事电子信息产品质量与可靠性研究的国家级科研机构，具备中国合格评定国家认可委员会（CNAS）认可和中国计量认证（CMA）资质的综合检测实验室，在电子材料热分析测试领域拥有超过三十年的技术积累。赛宝实验室拥有国际先进水平的热机械分析仪、差示扫描量热仪、热重分析仪及动态热机械分析仪等完备的热分析测试平台，长期承担电子材料CTE、玻璃化转变温度（Tg）、分层时间（TMA/T260/T288）等关键热性能参数的检测与评价工作，积累了丰富的厚基材及高频高速材料热分析测试经验，为本标准的试验参数确定和数据验证提供了坚实的技术支撑。四、结论与展望本标准的制定填补了IEC61189系列标准在厚基材X/Y方向热膨胀系数测定领域的方法空白，为全球电子制造行业提供了一套科学、统一且具有良好可操作性的厚基材热膨胀性能测试方法。标准明确了试样尺寸要求、升温程序选择、静态载荷控制及数据计算规则等关键技术要素，从方法学层面有效解决了厚试样内部温度梯度、自重压缩形变及探头接触状态等核心测试难题。标准的发布实施将显著提升厚基材CTE测试数据的准确性、可比性和可追溯性，为材料研发、工艺控制、质量验收及可靠性评估等环节提供权威的技术依据。参考文献[1]IEC61189-2-809:2024,Testmethodsforelectricalmaterials,circuitboardsandotherinterconnectionstructuresandassemblies–Part2-809:X/Ycoef