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:TestmethodsforZ-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的快速发展，印制电路板（PCB）作为电子产品的核心互连载体，其材料体系与制造工艺正面临前所未有的技术挑战。其中，基材和印制板在温度循环条件下的Z轴热膨胀行为，直接关系到镀通孔（PTH）的可靠性、层间对准精度以及多层板整体结构的完整性，已成为影响电子产品服役寿命的关键因素之一。在此背景下，国际电工委员会（IEC）于2023年7月26日正式发布IEC61189-2-803:2023标准，该标准隶属于IEC61189-2系列试验方法标准体系，专门规定了基材和印制板Z轴膨胀的系统化试验方法。本标准在充分吸收IPC-TM-650等行业成熟测试方法的基础上，结合现代材料科学与精密测量技术的最新进展，对试验原理、样品制备、测试程序、数据采集与处理、报告要求等内容做出了全面而系统的规定。标准的发布填补了国际标准体系中针对Z轴膨胀专项测试方法的技术空白，为全球印制电路行业提供了一套统一、规范、可比较的测试技术依据。本报告对该标准的立项背景、技术内容、关键创新点及行业应用价值进行了系统阐述，并对标准的实施前景与后续发展方向提出了展望。关键词：印制电路板；Z轴膨胀；热机械分析；试验方法；国际标准；IEC61189；基材可靠性；互连结构Keywords:printedcircuitboard;Z-axisexpansion;thermomechanicalanalysis;testmethod;internationalstandard;IEC61189;basematerialreliability;interconnectionstructures1引言印制电路板作为电子元器件电气互连的物理载体，其性能优劣直接决定着电子整机的功能实现与可靠性水平。近年来，随着5G通信、人工智能、新能源汽车、高性能计算等新兴领域的迅猛发展，电子系统对印制电路板提出了更高的技术要求——布线密度持续提升、层数不断增加、工作频率日益提高、服役环境更加严苛。在这一技术演进过程中，印制板基材的热机械性能，尤其是Z轴（厚度方向）热膨胀行为，正受到越来越广泛的关注。从失效机理来看，印制板在焊接和服役过程中不可避免地经历多次温度循环。由于基材（通常为增强树脂复合材料）与铜箔、镀通孔铜层之间的热膨胀系数存在显著差异，Z轴方向的热胀冷缩将在镀通孔内壁产生周期性的机械应力。当这种应力超过铜层的疲劳极限时，将导致孔壁开裂、孔铜分离（即"孔壁分离"或"内层连接失效"），进而引发电气开路故障。相关研究数据表明，在温度循环可靠性试验中，镀通孔的Z轴膨胀失配是导致互连失效的首要因素之一。此外，Z轴膨胀还直接影响多层板层间对准精度、埋置器件的位置稳定性以及高频信号的传输一致性。尽管业界已普遍认识到Z轴膨胀测试的重要性，但在国际标准层面，长期以来缺乏一项专门针对该性能参数的统一试验方法标准。现行的行业测试方法（如IPC-TM-650中的相关方法）在样品尺寸、测试条件、数据处理等方面存在差异，导致不同实验室之间测试结果的可比性不足，制约了材料评价和工艺控制的有效开展。在此背景下，IEC于2023年正式发布IEC61189-2-803:2023，填补了这一标准空白。2标准编制背景与任务来源2.1国内外相关标准现状（1）国际层面在国际电工委员会框架下，IEC61189是电气材料、印制板和其他互连结构和组件试验方法的核心标准系列。其中，IEC61189-2侧重于材料的试验方法。该系列标准由IEC/TC91（印制电路板技术委员会）归口管理，该技术委员会长期致力于印制电路板及其相关材料的国际标准化工作。在IEC61189-2-803:2023发布之前，国际上针对Z轴膨胀的测试主要参考以下几类方法：一是美国IPC协会制定的IPC-TM-650方法2.4.24（热机械分析法测定基材Z轴热膨胀），该方法采用热机械分析仪（TMA）对覆铜板或基材样品进行升温测试，记录厚度方向的膨胀曲线；二是日本印制电路行业协会（JPCA）在其标准体系中涉及的Z轴膨胀相关测试条款；三是各主要覆铜板厂商（如联茂、生益、松下等）内部使用的材料评价方法。这些方法在升温速率、样品尺寸、数据处理方式（如Tg前后的膨胀率计算方法）等方面存在不同程度的差异。（2）国内层面在国内，与Z轴膨胀相关的测试需求主要覆盖于以下标准体系中：GB/T4722《印制电路用覆铜箔层压板试验方法》对覆铜板的热性能部分参数进行了规定；IPC-4101《刚性及多层印制板用基材规范》中引用了Z轴膨胀的技术指标要求；行业标准及企业标准则根据产品应用需求设定了相应的Z轴膨胀控制限值。但总体而言，国内尚缺乏针对Z轴膨胀试验方法完全对口的国家标准或行业标准，主要依赖引用国际标准或行业通行方法。2.2标准制定必要性分析制定IEC61189-2-803:2023的必要性主要体现在以下几个方面：第一，统一试验方法、提升测试结果可比性。如前所述，不同测试方法在样品制备、试验条件、数据计算等方面存在差异，导致同一材料在不同实验室或不同方法下测得的Z轴膨胀数据可能存在较大偏差。发布统一标准有助于全球范围内的数据互认与质量对标。第二，适应新型材料与新型结构的发展需求。近年来，低热膨胀系数覆铜板（如低CTE型、高Tg型）、无卤素板材、高频高速板材等新型材料不断涌现，对Z轴膨胀测试方法的适用性和精确性提出了更高要求。新型填胶树脂体系、超薄玻纤布、低粗糙度铜箔等新材料的引入，需要更精细和更稳定的测试方法加以表征。第三，支撑产品可靠性设计与工艺控制。精确的Z轴膨胀数据是印制板热-机械可靠性设计的基础输入参数。标准化的测试方法为设计人员提供了可信的材料性能数据，也为覆铜板制造商提供了统一的出厂检验依据。第四，响应全球产业链的标准化需求。印制电路板产业链高度全球化，覆铜板材料、印制板制造、电子组装往往分布在不同国家和地区。统一的标准有助于消除技术壁垒，促进国际贸易与技术交流。3标准主要内容与技术要点3.1标准适用范围IEC61189-2-803:2023适用于电气材料、印制板和其他互连结构和组件的基材（包括覆铜板和未覆铜基材）以及成品印制板（包括刚性板、挠性板及刚挠结合板）在厚度方向（Z轴）热膨胀性能的测定。标准规定的试验方法原则上适用于有机树脂基复合材料体系的基材和印制板，对于其他类型的基材（如陶瓷基板、金属基板等），可参照本标准执行，但需要在试验报告中注明适用性差异。3.2术语和定义标准对以下关键术语进行了明确定义：-Z轴（Z-axis）：垂直于印制板或基材表面平面的方向，即厚度方向。-Z轴膨胀（Z-axisexpansion）：样品在温度变化条件下沿厚度方向的尺寸变化，通常以相对于初始厚度的百分比（%）或膨胀系数（ppm/℃）表示。-玻璃化转变温度（Tg）：聚合物基体从玻璃态向高弹态转变的特征温度，是分析Z轴膨胀行为的重要参考温度点。-热机械分析（TMA）：在程序控温条件下，通过施加微小载荷测量样品尺寸随温度或时间变化的分析技术。-线性热膨胀系数（CTE）：单位温度变化引起的材料线性尺寸的相对变化率。3.3试验原理本标准规定的试验方法基于热机械分析（TMA）原理。将具有平行上下表面的柱状或方形样品置于TMA仪器的样品台上，通过在样品上表面施加恒定的微小压缩载荷（通常为1-5mN），使探针与样品保持稳定接触。随后按照设定的升温程序（包括升温速率、起始温度、终止温度）对样品进行加热，仪器实时记录样品厚度方向（Z轴）的尺寸变化量随温度（或时间）的变化曲线。基于所获得的膨胀-温度曲线，计算方法包括：直至Tg前的平均线性热膨胀系数（α₁）、Tg后至指定温度范围（如Tg至260℃）的平均线性热膨胀系数（α₂）、从室温至特定温度（如260℃）的总膨胀百分比（%Z-axisexpansion至260℃）等参数。标准对Tg的确定方法进行了统一，规定采用切线交点法在膨胀-温度曲线上确定Tg值。3.4试验设备与仪器要求标准对试验设备提出了明确的技术要求：（1）热机械分析仪（TMA）：应具备程序控温功能，温度范围至少覆盖室温至300℃（或根据材料类型适当扩展），温度精度为±1℃。Z轴位移测量分辨率不低于0.1μm，线性度优于0.5%。仪器应具有稳定的力控制功能，能够在测量过程中保持恒定探针压力。（2）样品台与探针：样品台应为平面结构，材质应具有极低的热膨胀系数（如石英或氧化铝陶瓷）。探针端面应为平面圆形，直径根据测试力设定进行匹配，材质优先选用石英或蓝宝石。（3）温度校准：建议使用高纯金属标准物质（如铟、锡、铅或锌）对仪器温度系统进行定期校准，校准周期不超过6个月或根据仪器使用频率确定。（4）气氛控制：推荐使用惰性气体（如氮气）作为吹扫气氛，流量控制在50~100mL/min，以防止样品在高温下氧化降解影响测试结果。3.5样品制备要求样品制备是保证测试结果准确性和重复性的关键环节。标准对样品制备作出了详细规定：（1）样品尺寸：推荐采用边长为5mm±0.5mm的正方形或直径为5mm±0.5mm的圆形试样。另外允许截面尺寸为3.18mm×3.18mm或4mm×4mm等方形截面。所有制备样品应保证上下表面的平行度，表面平行度偏差应控制在0.025mm以内；上下表面的平面度误差不超过0.05mm。对于厚度小于0.5mm的薄型材料，允许多层叠合至规定厚度后测量。（2）取样位置：对于覆铜板样品，应根据GB/T4722或相关产品规范规定的取样图位置进行取样，样品应远离板边不小于25mm、远离铜箔拼接区及其他明显缺陷区域。对于印制板成品，取样应充分考虑板内铜分布密度的影响，推荐在铜分布较为均匀的区域取样，或在试验报告中详细记录取样位置的铜分布状态。（3）表面处理：测试表面应为原始表面。对于蚀刻去除铜箔后的基材样品，蚀刻后表面应使用细砂纸进行均匀轻磨处理或在报告中注明表面状态。样品制备过程中应避免机械应力、热损伤等对测试结果产生影响的加工方式。（4）样品数量：每次测试至少准备5个样品，取其算术平均值作为测试结果。单个样品的离散系数若超过5%，应补充测试并调查离散原因，以保证数据的代表性和可靠性。3.6测试程序标准对测试程序进行了分阶段规定，确保在不同实验室之间具有良好的操作一致性：（1）样品预处理：样品应在温度23℃±2℃、相对湿度50%±5%的标准大气条件下处理不少于24小时，以确保样品状态一致。对于吸湿敏感的基材材料（如无卤素板材），预处理环境的湿度和时间应严格遵循标准条件。（2）样品装夹与初始测量：将样品置于TMA样品台中心位置，确保探针接触样品上表面中心位置，施加规定测试力并稳定5分钟后，记录室温（或规定的初始温度）下的初始厚度。（3）升温测试：以标准规定的升温速率（推荐为5℃/min或10℃/min，可根据材料类型选用）将样品从室温加热到规定的终止温度（通常为260℃或300℃，具体取决于材料类别和应用需求）。在升温过程中实时记录温度-膨胀量数据对，数据采集频率不低于1点/秒。（4）降温与重复测试（如适用）：对需要评估材料热循环稳定性的情况，可增加降温至室温后再次升温的循环测试，以评估材料一次热循环后的残余膨胀变化。3.7数据处理与结果计算（1）Tg的确定：在膨胀-温度曲线上，分别作Tg前和Tg后两段近似线性区的切线，两条切线的交点所对应的温度即为Tg。标准对切线作图的具体方法做出统一规定，提高不同操作者之间的读数一致性。（2）CTE计算：-玻璃态区（Tg以下）平均线性热膨胀系数α₁：在Tg以下选取基于室温或指定基线温度的一段温度区间，计算该区间内单位温度变化引起的相对膨胀量；-高弹态区（Tg以上）平均线性热膨胀系数α₂：在Tg以上选取从Tg至Tg+60℃（或指定上限温度）的温度区间，进行同类计算。-计算公式统一规定为：α=ΔL/（L₀×ΔT），其中ΔL为温度区间ΔT内样品的厚度变化量，L₀为样品在室温（或起始温度）下的初始厚度。（3）Z轴总膨胀百分比（%Z-axisexpansion）：计算从室温（或规定的参考温度）至指定温度（如260℃）的Z轴膨胀量除以初始厚度的百分比。该指标对于表征镀通孔可靠性的工程意义最为直接。（4）计算精度与有效位数：规定所有计算结果的保留位数及有效数字处理规则，以保证跨实验室数据的一致性。3.8试验报告标准要求试验报告至少包含以下内容：样品完整描述（材料类型、制造商、批号、厚度等）；样品制备方法（含取样位置图）；测试仪器型号与配置（探针类型、测试力、升温速率等）；预处理条件；测试结果（Tg、α₁、α₂、Z轴总膨胀百分比等）的单个值与算术平均值；膨胀-温度曲线的代表性图像；偏离标准规定的任何操作细节；测试日期与操作人员信息。4标准关键创新点分析与已有的行业测试方法相比，IEC61189-2-803:2023在以下几个方面体现出重要的技术创新与标准化突破：第一，更加严谨的样品制备规范。标准对样品上下表面平行度、平面度给出了明确的定量指标要求，改变了以往行业方法中仅以"平整光滑"等定性描述的不足，有效减少了因样品制备不当带来的系统误差。第二，全面的参数体系。标准不仅规定了传统意义上的CTE测试与Tg测定，还纳入了Z轴总膨胀百分比等工程实用性指标，支撑从材料研究到工艺控制的多层次需求。第三，系统的校准与质量控制要求。标准明确规定了仪器的周期校准方法、标准物质选型、数据采集频率等质量保障要素，为实验室能力验证和结果互认奠定了基础。第四，兼顾了不同类型材料与产品的适用性。在统一核心试验方法的同时，标准充分考虑了覆铜板基材、成品印制板、薄型挠性板等不同类型样品在尺寸、刚性、表面状态等方面的差异，提供了必要的操作调整空间。5主要参与单位介绍本标准由国际电工委员会印制电路板技术委员会（IEC/TC91）归口制定。IEC/TC91成立于20世纪60年代末，专门负责印制电路板及相关互连技术的国际标准化工作，其工作范围包括覆铜板材料、印制板产品、互