Dans la production électronique, la fiabilité des circuits imprimés joue un rôle crucial. En particulier pour les applications exposées à des températures élevées, il est essentiel que les matériaux dans lesquels les circuits imprimés sont fabriqués puissent résister à ces conditions. Un paramètre important pour évaluer la résistance thermomécanique des circuits imprimés est la température de transition vitreuse, également connue sous le nom de valeur Tg. Dans cet article, nous allons examiner de plus près l'importance de la valeur Tg.
Qu'est-ce que la température de transition vitreuse (Tg) ?
La température de transition vitreuse est un paramètre critique pour l'évaluation de la résistance thermique des polymères. Elle marque la transition d'un état fragile et vitreux à un état plastique et mou. Dans le contexte des circuits imprimés, la température de transition vitreuse correspond au point où le matériau résineux qui compose le circuit imprimé commence à se ramollir et à modifier ses propriétés mécaniques.
- Tg = point d'inflexion dans la courbe
-
Tg dépend du degré de réticulation de la matrice de résine
(nombre de groupes époxy par molécule) - Plus le degré de réticulation est élevé, plus la Tg est élevée
- La valeur Tg renseigne uniquement sur la température d'utilisation permanente du circuit imprimé.
- Les valeurs se situent généralement entre 130° C et 260° C
Pourquoi la valeur Tg du matériau de base est-elle importante ?
La capacité de charge thermomécanique d'un circuit imprimé dépend du matériau de base utilisé. Les matériaux de base se composent d'une matrice de résine, de charges et de tissus de verre incorporés. La matrice de résine du matériau de base obtient sa qualité finale lors du processus de pressage des circuits imprimés (durcissement des préimprégnés). La matrice de résine est alors soumise à un régime optimal de température, de pression et de compression et il en résulte une structure polymère réticulée en trois dimensions qui présente les propriétés souhaitées en termes de résistance à la température et de solidité.
Valeur Tg du matériau de base et ∆Valeur Tg du circuit imprimé
Même si, en tant que fabricant de circuits imprimés, nous avons déjà des connaissances sur la valeur Tg du matériau de base avant le processus de pressage, il est néanmoins important de vérifier la valeur ∆Tg (delta Tg) du circuit imprimé fini. Le La valeur ∆Tg est une mesure du degré de durcissement des préimprégnés après le processus de pressage.
Il y a plusieurs raisons pour lesquelles cette vérification est nécessaire :
Contrôle de qualité
La vérification de la valeur ∆Tg du circuit imprimé fini sert d'étape importante dans le contrôle qualité. Elle permet de s'assurer que les circuits imprimés fabriqués possèdent les propriétés thermomécaniques nécessaires pour répondre aux exigences de l'environnement spécifique de l'application. Les circuits imprimés sont souvent utilisés dans des environnements soumis à des températures élevées, que ce soit dans des applications industrielles, dans le secteur automobile ou dans l'aérospatiale. La connaissance des valeurs Tg nous permet de garantir que les circuits imprimés peuvent résister aux températures requises sans perdre leur intégrité structurelle. Un circuit imprimé dont la température d'utilisation est supérieure d'environ 20 Kelvin à la température de transition vitreuse de la matrice de résine devient mou et déformable. Cela peut entraîner des défaillances mécaniques telles que le délaminage, les fissures ou le déplacement des composants, ce qui affecte la fiabilité de l'ensemble du module électronique. En déterminant avec précision les valeurs Tg des circuits imprimés, il est possible d'identifier et d'éviter les points faibles potentiels.
Variation du processus
Pendant le processus de fabrication, différents facteurs peuvent entraîner des variations susceptibles d'influencer la valeur ∆Tg du circuit imprimé fini. Il s'agit notamment des variations du temps de pressage, de la pression de pressage, de la température de durcissement et de la composition du matériau. C'est pourquoi les trois paramètres importants que sont le temps de pressage, la pression de pressage et la température sont surveillés et documentés automatiquement à l'aide de courbes enveloppes.
Composition du matériau
La valeur Tg du matériau de base est une caractéristique très importante du matériau. Elle est déterminée par les matériaux utilisés, tels que les systèmes de résine, les charges et les tissus de verre, qui sont assemblés au cours du processus de fabrication du matériau de base. Il est donc important de déterminer la valeur Tg spécifiquement pour la composition du matériau utilisé.
Exigences des clients
Souvent, les clients définissent des exigences spécifiques concernant la résistance thermomécanique de leurs circuits imprimés. En choisissant la bonne valeur Tg du matériau de base et en vérifiant la ∆Tg-valeur du circuit imprimé, nous pouvons garantir que nos produits répondent à ces exigences et assurer la satisfaction du client.
Méthodes de détermination de la Tg
Il existe différentes méthodes pour déterminer la température de transition vitreuse des circuits imprimés :
DSC - Calorimétrie différentielle à balayage
La calorimétrie différentielle (DSC) consiste à sceller un échantillon de circuit imprimé dans un petit creuset en aluminium et à le soumettre à un régime de chauffage contrôlé. La variation de température de l'échantillon est scannée, c'est-à-dire qu'elle est détectée à tout moment par un capteur placé sur l'échantillon. À l'aide d'une mesure de référence, les écarts de température peuvent être convertis en quantité de chaleur absorbée ou dégagée par l'échantillon du circuit imprimé. Une matrice de résine époxy, comme celle utilisée le plus souvent pour les cartes de circuits imprimés, présente une zone typique d'absorption de chaleur (comportement endothermique) au-dessus de 120° C. Cette zone correspond à la zone de ramollissement de la matrice de résine, également appelée zone de transition vitreuse. Le centre de cette zone est défini comme la température de transition vitreuse (donc la valeur Tg). Si l'on répète le processus de chauffage avec le même échantillon de circuit imprimé et que l'on détecte un décalage de la valeur Tg, on parle alors de post-durcissement.
Cela signifie que l'échantillon de circuit imprimé examiné n'a pas encore été durci de manière optimale. De cette manière, les programmes de pressage dans la fabrication de circuits imprimés peuvent être adaptés et optimisés en fonction des matériaux.
TMA - Thermal Mechanical Analysis (analyse mécanique thermique)
L'analyse thermomécanique (TMA) consiste à mesurer les changements des propriétés physiques du circuit imprimé en fonction de la température sous une charge constante. Pour déterminer la valeur Tg, un échantillon est fixé dans l'appareil TMA et chauffé de manière contrôlée. Pendant le processus de chauffage, la dimension ou le coefficient de dilatation de l'échantillon est mesuré en continu. Typiquement, le taux de dilatation du matériau change considérablement lorsque la température de transition vitreuse est atteinte : en dessous de la Tg, le matériau est dur et cassant, au-dessus, il est plus mou et plus flexible. Ce changement se traduit par une inflexion ou un aplatissement caractéristique de la courbe thermomécanique, qui marque la valeur Tg. L'avantage de cette méthode est qu'elle permet de mesurer les changements dimensionnels directs du matériau en réponse à un changement de température. Cette méthode peut donc être appliquée même à de très petits échantillons. Cependant, si les transitions sont particulièrement faibles, la sensibilité de la mesure peut être inférieure à celle de la DMA et de la DSC.
DMA - Analyse mécanique dynamique
L'analyse mécanique dynamique (DMA) consiste à soumettre un échantillon du matériau de base du circuit imprimé à une contrainte mécanique oscillante pendant qu'il est chauffé de manière contrôlée. La DMA enregistre les changements dans un module de stockage (mesure de la rigidité) et dans un module de perte (mesure de l'amortissement). Une baisse marquée du module de stockage, associée à un pic du module de perte, indique la Tg, où le matériau passe d'un état vitreux à un état caoutchouteux. Le DMA fournit donc des informations complètes sur le comportement mécanique du matériau du circuit imprimé (rigidité, amortissement) sur une large plage de températures et est très sensible à la détection des transitions, même si celles-ci sont très faibles. La DMA peut fournir des données de module qui sont utiles pour la spécification mécanique. Un inconvénient est la préparation et l'exécution relativement plus complexes du test. L'analyse et l'interprétation des résultats peuvent alors s'avérer plus complexes qu'avec la TMA ou la DSC.
- Tg (DMA) > Tg (DSC) > Tg (TMA)
- Valeur indicative : Tg (TMA) = Tg (DSC) - 10° C = Tg (DMA) - 20° C
- La base de comparaison dans les fiches techniques et les publications est généralement Tg (DSC).
Température de transition vitreuse vs. température d'utilisation continue
- Règle générale : température de travail = Tg (DSC) - 30 Kelvin
- Plus la Tg est élevée, plus le coefficient de dilatation reste constant sur une large plage de températures.
- Des dépassements de courte durée sont autorisés (fabrication, brasage)
Conclusion
Le choix de la méthode de mesure dépend fortement de l'application spécifique et des informations souhaitées. La détermination de la température de transition vitreuse et ∆Tg valeur est une étape essentielle dans l'évaluation de la résistance thermomécanique des circuits imprimés. Elle nous permet de nous assurer, par le choix des matériaux et l'optimisation des processus, que nos produits répondent aux exigences des applications les plus pointues. En contrôlant précisément ces paramètres, nous pouvons, chez KSG, produire des circuits imprimés hautement fiables qui garantissent des performances à long terme dans les conditions les plus diverses.
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