IEC 61189-2-8032023 电气材料、印制板和其他互连结构和组件的试验方法.第2-803部分基材和印制板Z轴膨胀的试验方法标准立项发展报告

电气材料、印制板和其他互连结构和组件的试验方法第2-803部分：基材和印制板Z轴膨胀的试验方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Testmethodsforelectricalmaterials,printedboardsandotherinterconnectionstructuresandassemblies-Part2-803:TestmethodforZ-axisexpansionofbasematerialsandprintedboards摘要随着电子信息技术向高频化、高密度化和高可靠性方向纵深发展，印制电路板（PCB）作为电子产品中元器件电气互连的关键载体，其材料性能的精准表征与测试方法标准化日益成为产业关注的核心议题。其中，基材和印制板在温度变化条件下沿厚度方向（Z轴）的热膨胀行为，直接关系到金属化孔的可靠性、多层板层间对准精度以及组装焊接工艺的成品率，是衡量基板材料综合性能的重要技术指标。本标准立项发展报告以国际电工委员会（IEC）发布的IEC61189-2-803:2023标准为研究对象，系统梳理了该标准的研制背景与技术动因，深入解析了其适用范围、试验原理、方法分类及操作要点，全面分析了标准的技术内容与创新特征。报告进一步探讨了该标准与现行国内相关标准体系的关系，评估了标准实施的预期经济效益和社会效益，并对标准未来修订方向和技术发展趋势进行了展望。本报告旨在为印制电路行业生产企业、检测机构、科研院所和标准化工作者提供系统性的技术参考与决策依据，推动该国际标准在我国的转化应用与产业落地。关键词：印制电路板；基材；Z轴膨胀；热膨胀系数；试验方法；国际标准；IEC61189Keywords:Printedcircuitboard;Basematerial;Z-axisexpansion;Coefficientofthermalexpansion;Testmethods;Internationalstandard;IEC611891引言1.1研究背景印制电路板（PrintedCircuitBoard,PCB）是电子产品的核心基础组件，承担着元器件机械支撑、电气互连和信号传输等关键功能。随着第五代移动通信（5G）、人工智能（AI）、高性能计算（HPC）和新能源汽车电子等新兴领域的快速发展，电子系统对印制电路板的布线密度、信号传输速率和服役可靠性提出了前所未有的严苛要求。在此背景下，PCB基材在温度循环和热冲击条件下沿厚度方向的尺寸稳定性——即Z轴膨胀特性——作为影响镀通孔（PTH）可靠性和多层板层间对准精度的核心材料参数，受到业界日益广泛的关注。当印制板经历焊接、返修或服役过程中的温度变化时，基材沿Z轴方向的热膨胀与铜导体（包括铜箔和镀覆铜层）的热膨胀之间存在显著差异。由于铜的热膨胀系数（约17ppm/°C）远低于聚合物基体材料的热膨胀系数（通常在50-70ppm/°C范围），这种热失配将在金属化孔壁和孔铜上产生周期性拉压应力。当Z轴膨胀率过大或反复温度循环导致应力累积超过材料极限时，将引发孔壁开裂、镀层分离（即"孔角开裂"或"芯吸效应"）等致命性失效模式，严重影响印制板组件的长期可靠性。因此，建立统一、精确、可比的Z轴膨胀试验方法标准，对于材料选型评估、工艺质量控制、产品可靠性预测以及供需双方的质量验收均具有重要的工程实践意义。1.2标准立项的技术动因IEC61189-2系列标准是国际电工委员会（IEC）下属TC91（电子装配技术委员会）归口管理的关于电气材料、印制板和其他互连结构与组件试验方法的核心标准体系。该系列标准旨在为印制电路行业提供统一的、国际公认的测试方法和评价准则。IEC61189-2-803:2023标准的立项与发布主要基于以下技术动因：其一，现行IPC-TM-6502.4.24等试验方法虽在业界被广泛采用，但其作为行业自律性方法文件，在国际标准体系中的权威性和规范性存在一定的局限性。随着国际贸易的深化和全球产业链的融合，亟需在国际标准（IEC）层面建立统一的试验方法规范。其二，Z轴膨胀测试仪器（如热机械分析仪TMA）的技术进步使得更高精度、更高自动化的测量成为可能。新材料体系（如低膨胀系数覆铜板、高频高速基材）的涌现对试验方法的适用性和分辨力提出了新的要求。其三，IEC61189-2-803的制定旨在与IEC61189-2系列其他部分（如剥离强度、介电性能等试验方法）形成系统配套，完善该系列标准在基材和印制板性能测试领域的覆盖范围。2标准概述2.1标准基本信息IEC61189-2-803:2023《电气材料、印制板和其他互连结构和组件的试验方法第2-803部分：基材和印制板Z轴膨胀的试验方法》由国际电工委员会（IEC）第91技术委员会（电子装配技术委员会，TC91）制定，于2023年7月26日正式发布。该标准为现行有效标准，标准语言为英语和法语，国际分类号（ICS）对应印制电路和印制电路板领域。2.2标准的定位与适用范围IEC61189-2-803:2023规定了用于测定电气材料、印制板和其他互连结构及组件中基材和印制板Z轴方向（即厚度方向）线性热膨胀的试验方法。该方法适用于覆铜箔层压板、多层印制板内层芯板、半固化片固化物以及其他绝缘基材材料在受控升温条件下的Z轴膨胀行为表征。标准规定的试验方法主要基于热机械分析（ThermomechanicalAnalysis,TMA）原理，通过精确控制温度程序并连续监测试样厚度方向的尺寸变化，获得材料的Z轴热膨胀曲线，进而计算得出关键评价参数。2.3标准的主要内容IEC61189-2-803:2023标准的主要技术内容包括：试验原理的阐述、试验仪器的技术要求与校准规范、试样制备方法与尺寸要求、状态调节条件、试验程序的具体操作步骤、试验结果的记录与计算方法、精密度与偏差的说明以及试验报告的内容要求。标准在技术内容上吸收了业界多年积累的实践经验，并针对不同材料类型（如不同玻璃化转变温度Tg的基材）给出了差异化的试验参数建议。3标准技术内容解析3.1试验原理Z轴膨胀试验的基本原理是将已知尺寸的试样置于热机械分析仪的样品台上，在规定的升温速率下对试样施加恒定的微小载荷（通常为接触力），通过高精度位移传感器连续记录试样厚度方向尺寸随温度的变化，从而获得Z轴方向的温度-形变曲线（即热膨胀曲线）。标准中规定的试验原理依据材料热膨胀的基本物理规律，即材料在温度变化时其尺寸发生变化的程度用线膨胀系数（CoefficientofThermalExpansion,CTE）来表征。对于印制板基材而言，Z轴方向的膨胀行为通常呈现非线性特征，特别是在玻璃化转变温度（Tg）附近，由于聚合物分子链段运动加剧，热膨胀系数会发生突变性增大。因此，标准要求试验需覆盖从室温至高于材料Tg的足够宽的温度范围，以完整捕捉材料在玻璃态和高弹态两个区域的热膨胀特性。3.2关键试验参数升温速率：标准中规定了推荐的升温速率范围，通常在5-10°C/min之间。升温速率的选择需兼顾试验效率和数据分辨率，过快可能导致试样内部温度梯度大而影响测量精度，过慢则降低试验效率。温度范围：试验起始温度通常为室温（约23±2°C），终止温度应根据被测材料的类型和预期应用确定，一般需超过材料的Tg值至少30-50°C。对于高Tg材料，终止温度可能需要达到280°C甚至更高。试样尺寸：标准对试样的几何尺寸提出了明确要求。典型的试样形状为方形或圆形薄片，边长或直径在5-10mm范围内，厚度即为被测基板的原始厚度。试样上下表面应平整、平行，以确保测量过程中探头与试样表面稳定接触。施加载荷：TMA仪器对试样施加的接触力需设定在适当范围内（通常为0.05N以下），以避免过大的压缩载荷对试样产生机械变形，掩盖真实的热膨胀行为。3.3数据处理与参数计算标准规定了从热膨胀曲线中提取关键性能参数的方法，主要包括以下指标：玻璃化转变温度（Tg）：通过热膨胀曲线上玻璃态区域与高弹态区域切线交点确定。Tg是表征基材耐热性能的核心参数，直接影响印制板的最高使用温度和工艺窗口。Z轴热膨胀系数（CTE-Z）：分别计算玻璃态区域（通常为Tg以下，如50°C至Tg-20°C区间）和高弹态区域（Tg以上）的线性热膨胀系数。玻璃态CTE通常在40-70ppm/°C范围，高弹态CTE可达200-300ppm/°C。Z轴总膨胀率（PercentZ-axisExpansion）：通常定义为从室温（或50°C）至260°C（或特定参考温度）范围内试样厚度的总变化百分比。该参数是业界评估印制板金属化孔可靠性的重要量化指标，被广泛应用于材料筛选和质量控制中。3.4方法的特点与创新IEC61189-2-803:2023在技术方法整合和标准化方面体现了以下特点：方法归一化：标准将业界广泛采用的热机械分析（TMA）方法进行系统化规范，统一了试验条件、参数定义和数据处理方式，有利于不同实验室间测试结果的可比性。适用范围广泛：覆盖了从刚性覆铜板到挠性基材等多种材料类型，并允许根据材料特性适当调整试验参数，具有良好的灵活性和普适性。可靠性强调：标准设置了明确的仪器校准要求和精密度说明，并建议采用标准参考物质定期验证系统性能，符合ISO/IEC17025实验室认可体系对方法验证的要求。4标准与国内相关标准的关系分析4.1国内外标准体系对比在印制板基材Z轴膨胀测试领域，国际和国内相关标准化组织均有相应的标准文件予以规范。在国际层面，除了IEC61189-2-803外，IPC-TM-650中的试验方法2.4.24系列是业界广泛引用的行业方法文件；在国内层面，GB/T4722《印制电路用覆铜箔层压板试验方法》等国家标准对该类测试也给出了相应规定。从技术内容来看，IEC61189-2-803:2023在试验原理上与IPC-TM-6502.4.24等主流方法保持一致，但在具体试验条件、参数计算和报告要求方面进行了系统性的规范化处理，增强了方法的严谨性和可比性。与国内现行标准GB/T4722相比，IEC标准在温度范围设置、试样制备细节和结果表达方式等方面存在一定差异，反映了国际标准体系对方法细节更为细致的技术规定。4.2标准协调与互认IEC61189-2-803:2023作为国际电工委员会发布的正式国际标准，在全球范围内具有广泛的适用性和影响力。我国作为IEC的正式成员，在印制电路板领域积极参与IECTC91的标准化工作。该标准的发布实施为国内外印制电路行业在基材Z轴膨胀测试方面提供了统一的技术依据，有助于消除技术壁垒，促进国际贸易和技术交流。值得关注的是，该国际标准与我国正在修订的覆铜板试验方法国家标准之间形成了可参照、可协调的对应关系。在未来国家标准修订工作中，有望将IEC61189-2-803的技术内容等同采用或修改采用，以完善我国在该领域的标准体系，实现与国际标准的全面接轨。5主要参与单位介绍5.1国际电工委员会电子装配技术委员会（IECTC91）IEC61189-2-803:2023标准的研制由国际电工委员会电子装配技术委员会（IECTC91）负责组织推进。IECTC91成立于1969年，是IEC中负责印制电路板、印制电路板组装、电子装配材料和工艺、电子组件可靠性等领域的标准化技术归口组织。其工作范围涵盖印制电路板的设计、制造、测试和组装全产业链的标准化活动，是国际上电子互连技术领域最权威的标准制定机构之一。该技术委员会目前设有多个工作组（WorkingGroup,WG）和项目组（ProjectTeam,PT），各工作组分别负责不同方向的标准制修订工作。IEC61189-2-803项目由TC91下属的测试方法工作组牵头研制，来自全球各主要工业国（包括中国、美国、日本、德国、韩国等）的标准化专家和技术代表共同参与了标准草案的起草、讨论和投票工作。TC91与中国对应机构为全国印制电路标准化技术委员会（SAC/TC47），中方专家在标准研制过程中积极提交了国内在Z轴膨胀测试领域的实践经验和研究成果，为标准技术内容的完善作出了重要贡献。6标准实施的预期效益6.1经济效益该标准的实施将为印制电路板产业链各环节带来显著的经济效益。对材料供应商而言，统一的测试标准有助于规范产品性能表征方法，降低因测试方法不一致导致的争议和退货风险，缩短产品认证周期，加速新材料市场导入进程。对PCB制造商而言，采用国际统一标准进行来料检验和工艺质量控制，可提升质量管理的规范性和效率，减少因Z轴膨胀失配导致的可靠性失效和质量损失，降低产品报废率和客户投诉索赔风险。对终端用户而言，标准化测试数据为材料选型和供应商评估提供了可比的量化依据，有助于优化供应链管理和设计选材决策。6.2社会效益从行业宏观层面来看，该标准的发布实施促进了印制电路基材Z轴膨胀测试方法的国际统一化，为全球电子互连行业的技术交流和贸易往来提供了共同语言。在当前全球电子产业链深度协同的背景下，国际标准的统一对于降低交易成本、促进产业协同创新具有长远价值。同时，标准所规范的精确测试方法为高性能基材的研发验证提供了可靠的技术工具，有助于推动材料科技创新和产业技术升级。7结论与展望7.1结论IEC61189-2-803:2023标准的发布，标志着印制电路基材和印制板Z轴膨胀试验方法在国际标准层面实现了系统化规范。该标准基于业界广泛采用的热机械分析原理