如何准确表征低热膨胀系数聚酰亚胺薄膜

聚酰亚胺薄膜（以下简称PI膜）的低热膨胀系数，是决定柔性电路板尺寸稳定性的关键物理参数。热机械分析仪TMA是表征材料尤其是聚合物热膨胀系数的最通用、最准确的测量设备。

热机械分析TMA测量样品在控制的气氛下尺寸随时间、温度、力的变化的函数。可以用来测量材料物理特性，如热膨胀系数 (CTE)、玻璃化转化温度Tg、软化点等。通过TMA测试结果，可以评估相容性，如基板与涂层、层压板的邻接层、密封剂封装材料与其体系。同时，也可以表征材料的适用性，如在恶劣环境和极端温度下使用的密封剂、胶粘剂、防护涂层等。

图 1 热机械分析仪TMA 450

在表征低膨胀系数聚酰亚胺薄膜CTE时，测试工程师经常会面临的挑战是：如何确保测得的极低的CTE值，真实地、准确地反映了样品的实际的膨胀或者收缩，而不是仪器的系统误差。从这一点出发，那么， 评判TMA数据真实有效的最重要的标准是：样品的绝对膨胀量（尺寸改变量），应远大于基线漂移带来的系统误差。接下来我们就此评判标准，展开详细的讨论。

 典型的CTE的测试方法，是将PI膜样品装入样品测试平台后，以一定的线性升温速率进行加热， 获得样品的尺寸变化Dimensional Change（即绝对膨胀量）随温度变化而变化的曲线。

斜率法定义的线热膨胀系数CTE(α)的计算公式如下：

           （1）

其中，L₀为样品的初始长度，∆T  为考察的温度区间，∆L为该温度区间内，样品的尺寸改变量，即绝对膨胀量。

显然，在实际测试过程中，对于某特定PI样品来说，它在各个温度下的热膨胀系数是一定的，那么对于固定长度的样品来说，它在某个温度范围内绝对的膨胀量可以通过下式获得：

    （2）

当不放入任何样品时，如仍按照普通的样品的温度程序进行升温， 对于理想中的TMA设备， 测得的尺寸变化量应始终为零（无样品，无尺寸变化）；但是，实际测试时，所有型号的TMA设备，在加热过程中，由于探针自身膨胀等因素的存在，会发现测得的尺寸变化并不恒为零，而是随着温度的改变而随之改变，我们把不放入任何样品进行加热时获得原始尺寸变化信号定义为基线漂移。如图2所示。对于TA仪器的TMA Q400而言，其在室温到400°C的温度范围内，原始基线漂移仅为0.1220µm。需要注意的是，这里的原始基线信号，不做任何的平滑、空白基线扣除以及其他后期的人为处理。

图2. TMA Q400原始基线

图3. PI膜尺寸变化曲线

TA仪器提供的TMA Q400以及450，凭借其优异的原始基线性能以及灵敏度和分辨率，是业内唯一能准确测量常规样品尺寸下、热膨胀系数值低于0.5 ppm/°C的商业化TMA，是测量极低膨胀系数PI膜的强大的工具。相对于其他型号的TMA高达几十微米以上的原始基线漂移，以及需要人为进行基线扣除（测试可靠性并未提高），TMA Q400以及450 在样品测试时无需任何空白基线修正，在保证数据准确性的同时，实验效率大大提升。