DSC、TMA、DMA、TGA介绍
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?對模量定量?一次及二次轉移溫度?交聯速率及交聯程度凝膠化及玻璃化?黏度?阻尼特性?聚合物形態?隨時間變化的行為如潛變應力緩和?交聯速率及交聯程度凝膠化及玻璃化dma?施加大小不同的力量于材料時材料特性會有施加大小不同的力量于材料時所不同?施力的頻率不同材料特性亦有所不同施力頻率高則材料會變得更為堅硬施力頻率低則材料會較為柔軟?溫度的變化更為顯而易見因為所有材料同時溫度的變化更為顯而易見擁有黏性viscosity與彈性elasticity的特性不同材料的差別僅在于兩者的比例不同而已材料特性會有因為所有材料同時dma在dma中利用施力于樣品但樣品反應延遲測得相角差再計算成為損失模數e由樣品反應的振幅amplitude計算得到儲存模數e公式如下關係圖
100
150
200
250
100 300
Universal V3.0G TA Instruments
Temperature (°C)
Storage Modulus (MPa)
Loss Modulus (MPa)
Heat Flow (mW )
Tan Delta
DSC: What Affects the Glass Transition?
Heat Flow (mW)
First Tg
155.93℃
Residual Cure
102.64℃ 20.38J/g
Second
Tg
100℃
150℃250℃来自250℃Temperature ℃
Thermoset:Isothermal Temp 170 Deg C Different IsOthermal test results comparison 熱固型材料在170度恆溫下不同恆溫時間對Tg之量測
Heating Rate Sample Size Heating & Cooling Aging Molecular Weight Plasticizer Filler Heating Rate (℃/min) 5 20* 40 Crystalline Content Copolymers Side Chains Polymer Backbone Hydrogen Bonding Sensitivity poor good very good Reproducibility very good good poor
(Micro TA - Atomic Force Microscope & TA)TM
常用熱分析技術量測的物理特性
熱流(Heat Flow)-DSC
尺度(Length)-TMA
模量(Modulus)-DMA
重量(Weight)-TGA
Differential Scanning Calorimeter (示 差 掃 描 量 熱 儀)
動態機械分析(Q800 DMA) (Dynamic Mechanical Analysis)
TMA
•當樣品軟化時，亦會因高度變化產生轉折，利 用轉折點可測試樣品的軟化點(Softing Point)。 CTE計算方式如下：(關係圖如Figure 1所示)
Expansion Probes
1.Coefficient of thermal expansion (CTE) 2.Glass transition temperature (Tg) 3.Gel time or temperature measurement. The flat tipped standard probe is used for most solid materials. The macro expansion probe, with its larger surface area, is more effective for soft or irregular sample, powders, frozen liquids, and films. The Penetration probe is used for softting and melting measurement.
TMA
•TMA主要是用以量測樣品隨溫度變化產生的膨脹 收縮現象，其方式是利用在樣品上施一固定大 小的力，通過可溫度控制的爐體，在升溫或降 溫時，材料有膨脹或收縮，TMA可量測到探針 (Probe)的變化，由此量得膨脹係數或收縮係數。
TMA
•一般材料會有明顯相變化點，如Tg, Tc, Tm。 •材料經過Tg時，分子鏈擺動體積變大，因此可 利用TMA測試觀察到材料Tg點後膨脹係數較Tg點 前更大，並因此形成轉折。 •其轉折點即為Tg點(玻璃轉移溫度)，其高度變 化斜率即為CTE(膨脹係數)相關曲線。
Tzero DSC CELL SCHEMATIC
Silver Base for Cell Lid #1
Silver Base for Cell Lid #2 Chambers for Temperature Conditioning of Purge Gas Measuring Chamber Tzero™ Sensor
•Quicker Response
• Better cooling / subambient performance
Ni Ring
•Wider MDSC® conditions
DSC: Typical DSC Transitions DSC標準典型圖譜
Heat Flow -> exothermic
Heat Flow (mW)
測試方法
樣品：6.35mm*6.35mm,試樣厚度至少應為0.51mm 操作步驟： 1.蝕刻掉所覆金屬，如有可能，從多層板上取的樣應無內層金屬層 2.打磨試樣邊緣，去除毛刺 3.把樣品于105±2℃的溫度下處理2±0.25小時。試驗前在干燥器中冷卻至室溫，至 少冷卻0.5小時 4.將試樣安裝在TMA的平台上，并對其施加0.1~10g的負荷 5.對于測試Tg，從不高于35℃開始掃描，建議起始溫度為23℃;對于測試TE，開始 掃描溫度應低于規定的溫度范圍 6.除非另有規定，以10℃/min的速度升溫 7.對于測試Tg，升溫至轉變區以上至少30℃;對于測試TE，升溫至250℃或其他規定 的溫度 8.如果剩余應力在玻璃轉變時，突然發生不可回復的偏轉，應再掃描一次 注意事項: 1.為了提高試驗的准確度，厚度應至少0.76mm以上，最好為1.6mm，如果材料的厚 度小于0.51mm，可以將試樣迭加到至少0.51mm，但試驗誤差可能會大大增加; 2.負荷的選擇。建議起始負荷為5g,負荷應根據不同的材料類型或試樣結構進行調 節，以保証探頭、試樣、及平台間緊密接觸。避免過量的負荷，這會導致試樣 的穿破或變形。
Universal V3.0G TA Instruments
TMA:
T-260
恆溫於260度評估pcb尺寸穩定性
TMA:
T-260
恆溫於260度評估pcb尺寸穩定性
DSC & TMA TEST Results comparison DSC & TMA 量測圖譜比較
DSC & TMA TEST Results comparison
Furnace
54 Nickel Cooling Rods
Cooling Flange
Q Series Cell – Cooling Devices
The cooler sits on the Ni ring. (Finned air cooler shown) •Faster Cooling •Lower Temperature
(DSC)
DSC 熱示差掃瞄卡量計原理 (Differential Scanning Calorimeter)
•熱示差掃瞄卡量計是用於量測樣品材料在 特定溫度條件下的能量變化情形的儀器。 •主要原理 ： 將樣品置於一個可透過程控式升溫、 降溫或恆溫的加熱爐中，通入氮氣、氧氣 等環境氣體，當樣品發生蒸發、融熔、結 晶等相變化時，會伴隨能量的吸放熱變化， 通過能量隨溫度或時間的變化情形，即可 判定材料的反應熱、熔點、玻璃化溫度、 結晶溫度、比熱、熱穩定性、氧化安定性、 交聯反應熱、及動力學分析等。
熱分析技術
示差掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetry DSC) 調制式示差掃描量熱儀(Modulated DSCTM) 示差熱分析儀(Differential Thermal Analysis,DTA) 熱重分析儀(Thermal gravimetric Analysis,TGA) 高解析度熱分析儀(High-Resolution TGATM) 調制式熱重分析儀(Modulated TGATM) 示差掃描量熱-熱重分析聯用(Simultaneous DSC-TGA) 熱機械分析儀(Thermal mechanical Analysis TMA) 動態熱機械分析儀(Dynamic Mechanical Analysis DMA) 介電性質分析(Dielectric Analysis DEA) 微熱分析儀-原子力顯微鏡與熱分析技術聯用- uTA
Oxidation or Decomposition Melting Glass Transition Crystallization
Cross-Linking (Cure)
Temperature
熱固型材料第一次與第二次實驗過程比較 Thermoset: Comparison of First and Second Heating Runs
100
195.92°C Alpha=284.µm/m°C
Dimension Change (µm)
80
60
168.55°C
40
116.49°C Alpha=52.0µm/m°C
149.28°C
20
30.20°C
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Temperature (°C)
DSC: FR4 TEST RESILTS (10 TIMES REPEAT TEST)
DSC & DMA TEST REAULTS COMPARISON
5
3-1-DSC.002 3-1-DMA.004
10000
0.20 0
0.15
-5
100
1000
0.10
-10 0.05
-15 50
Exo Up
TMA 2940 Schematic
Furnace Coolant Reservoir Furnace Assembly
Probe
Sample Lead Screw
Stage
LVDT Suspension Assembly
Furnace Lift Motor
Force Coil Assembly
Shuttle Stepper Motor
ThermoMechanical Analysis
熱 機 械 分 析 儀
(TMAQ400/Q400EM)
TMA 靜態機械分析儀原理 (Thermal Mechanical Analyzer)
所有材料在溫度變化時都會有物性上的變 化，如膨脹收縮、軟化、交聯硬化等，而為一 些材料在不同溫度下的物性，常用的量測工具 之一是靜態機械分析儀(Thermal Mechanical Analyzer, TMA)。
50 2
40
TMA 2rd run
0
Dimension Change (痠)
30
TMA 1st run
-2
20
DSC 1st run
-4
10
-6
DSC 2rd run
0 0
Exo Up
50
100
150
200
250
-8 300
Universal V3.0G TA Instruments
Temperature (蚓)
* Recommended heating rate for measuring Tg.
測試方法
樣品重量：15~25mg 操作步驟： 1.打磨試樣邊緣，去除毛刺 2.把樣品于105±2℃的溫度下處理2±0.25小時。試驗前在干燥器中冷 卻至室溫，至少冷卻0.5小時 3.從低于試樣預計Tg至少30℃開始掃描 4.除非另有規定，以20℃/min的速度升溫 5.升溫至轉變區以上至少30℃ 6.升溫至規定的溫度，然后在此溫度下恆溫15min 7.立即冷卻至起始條件，重復步驟3到5. 注意事項: 1.有些DSC曲線在轉變區的前后會出現一些尖峰，這種情況是由于材 料的崎變，如應力的釋放和水分，與Tg無關，這種偏移不必對作 圖程序做任何改變，可以詎儀器冷卻下來后再重新測試; 2.由于水分和其他因素的影響，單面或未覆箔層壓板會出現不可靠的 固化因數數據 3.單面或未覆箔層壓板比相同的雙面覆箔板的Tg低8~15℃。
TMA:CTE (線膨脹係數) TEST
Sample: SAMPLE 12(PCB) 1st Size: 5.7711 mm Comment: 10°C/MIN,N2,N=0.05N 120
TMA
File: C:...\¹êÅç¼Æ¾Ú\SAMPLE 12(PCB)-TMA.001 Operator: SUNNY Run Date: 15-Jan-01 17:43
100
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100 300
Universal V3.0G TA Instruments
Temperature (°C)
Storage Modulus (MPa)
Loss Modulus (MPa)
Heat Flow (mW )
Tan Delta
DSC: What Affects the Glass Transition?
Heat Flow (mW)
First Tg
155.93℃
Residual Cure
102.64℃ 20.38J/g
Second
Tg
100℃
150℃250℃来自250℃Temperature ℃
Thermoset:Isothermal Temp 170 Deg C Different IsOthermal test results comparison 熱固型材料在170度恆溫下不同恆溫時間對Tg之量測
Heating Rate Sample Size Heating & Cooling Aging Molecular Weight Plasticizer Filler Heating Rate (℃/min) 5 20* 40 Crystalline Content Copolymers Side Chains Polymer Backbone Hydrogen Bonding Sensitivity poor good very good Reproducibility very good good poor
(Micro TA - Atomic Force Microscope & TA)TM
常用熱分析技術量測的物理特性
熱流(Heat Flow)-DSC
尺度(Length)-TMA
模量(Modulus)-DMA
重量(Weight)-TGA
Differential Scanning Calorimeter (示 差 掃 描 量 熱 儀)
動態機械分析(Q800 DMA) (Dynamic Mechanical Analysis)
TMA
•當樣品軟化時，亦會因高度變化產生轉折，利 用轉折點可測試樣品的軟化點(Softing Point)。 CTE計算方式如下：(關係圖如Figure 1所示)
Expansion Probes
1.Coefficient of thermal expansion (CTE) 2.Glass transition temperature (Tg) 3.Gel time or temperature measurement. The flat tipped standard probe is used for most solid materials. The macro expansion probe, with its larger surface area, is more effective for soft or irregular sample, powders, frozen liquids, and films. The Penetration probe is used for softting and melting measurement.
TMA
•TMA主要是用以量測樣品隨溫度變化產生的膨脹 收縮現象，其方式是利用在樣品上施一固定大 小的力，通過可溫度控制的爐體，在升溫或降 溫時，材料有膨脹或收縮，TMA可量測到探針 (Probe)的變化，由此量得膨脹係數或收縮係數。
TMA
•一般材料會有明顯相變化點，如Tg, Tc, Tm。 •材料經過Tg時，分子鏈擺動體積變大，因此可 利用TMA測試觀察到材料Tg點後膨脹係數較Tg點 前更大，並因此形成轉折。 •其轉折點即為Tg點(玻璃轉移溫度)，其高度變 化斜率即為CTE(膨脹係數)相關曲線。
Tzero DSC CELL SCHEMATIC
Silver Base for Cell Lid #1
Silver Base for Cell Lid #2 Chambers for Temperature Conditioning of Purge Gas Measuring Chamber Tzero™ Sensor
•Quicker Response
• Better cooling / subambient performance
Ni Ring
•Wider MDSC® conditions
DSC: Typical DSC Transitions DSC標準典型圖譜
Heat Flow -> exothermic
Heat Flow (mW)
測試方法
樣品：6.35mm*6.35mm,試樣厚度至少應為0.51mm 操作步驟： 1.蝕刻掉所覆金屬，如有可能，從多層板上取的樣應無內層金屬層 2.打磨試樣邊緣，去除毛刺 3.把樣品于105±2℃的溫度下處理2±0.25小時。試驗前在干燥器中冷卻至室溫，至 少冷卻0.5小時 4.將試樣安裝在TMA的平台上，并對其施加0.1~10g的負荷 5.對于測試Tg，從不高于35℃開始掃描，建議起始溫度為23℃;對于測試TE，開始 掃描溫度應低于規定的溫度范圍 6.除非另有規定，以10℃/min的速度升溫 7.對于測試Tg，升溫至轉變區以上至少30℃;對于測試TE，升溫至250℃或其他規定 的溫度 8.如果剩余應力在玻璃轉變時，突然發生不可回復的偏轉，應再掃描一次 注意事項: 1.為了提高試驗的准確度，厚度應至少0.76mm以上，最好為1.6mm，如果材料的厚 度小于0.51mm，可以將試樣迭加到至少0.51mm，但試驗誤差可能會大大增加; 2.負荷的選擇。建議起始負荷為5g,負荷應根據不同的材料類型或試樣結構進行調 節，以保証探頭、試樣、及平台間緊密接觸。避免過量的負荷，這會導致試樣 的穿破或變形。
Universal V3.0G TA Instruments
TMA:
T-260
恆溫於260度評估pcb尺寸穩定性
TMA:
T-260
恆溫於260度評估pcb尺寸穩定性
DSC & TMA TEST Results comparison DSC & TMA 量測圖譜比較
DSC & TMA TEST Results comparison
Furnace
54 Nickel Cooling Rods
Cooling Flange
Q Series Cell – Cooling Devices
The cooler sits on the Ni ring. (Finned air cooler shown) •Faster Cooling •Lower Temperature
(DSC)
DSC 熱示差掃瞄卡量計原理 (Differential Scanning Calorimeter)
•熱示差掃瞄卡量計是用於量測樣品材料在 特定溫度條件下的能量變化情形的儀器。 •主要原理 ： 將樣品置於一個可透過程控式升溫、 降溫或恆溫的加熱爐中，通入氮氣、氧氣 等環境氣體，當樣品發生蒸發、融熔、結 晶等相變化時，會伴隨能量的吸放熱變化， 通過能量隨溫度或時間的變化情形，即可 判定材料的反應熱、熔點、玻璃化溫度、 結晶溫度、比熱、熱穩定性、氧化安定性、 交聯反應熱、及動力學分析等。
熱分析技術
示差掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetry DSC) 調制式示差掃描量熱儀(Modulated DSCTM) 示差熱分析儀(Differential Thermal Analysis,DTA) 熱重分析儀(Thermal gravimetric Analysis,TGA) 高解析度熱分析儀(High-Resolution TGATM) 調制式熱重分析儀(Modulated TGATM) 示差掃描量熱-熱重分析聯用(Simultaneous DSC-TGA) 熱機械分析儀(Thermal mechanical Analysis TMA) 動態熱機械分析儀(Dynamic Mechanical Analysis DMA) 介電性質分析(Dielectric Analysis DEA) 微熱分析儀-原子力顯微鏡與熱分析技術聯用- uTA
Oxidation or Decomposition Melting Glass Transition Crystallization
Cross-Linking (Cure)
Temperature
熱固型材料第一次與第二次實驗過程比較 Thermoset: Comparison of First and Second Heating Runs
100
195.92°C Alpha=284.µm/m°C
Dimension Change (µm)
80
60
168.55°C
40
116.49°C Alpha=52.0µm/m°C
149.28°C
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30.20°C
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Temperature (°C)
DSC: FR4 TEST RESILTS (10 TIMES REPEAT TEST)
DSC & DMA TEST REAULTS COMPARISON
5
3-1-DSC.002 3-1-DMA.004
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0.20 0
0.15
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Exo Up
TMA 2940 Schematic
Furnace Coolant Reservoir Furnace Assembly
Probe
Sample Lead Screw
Stage
LVDT Suspension Assembly
Furnace Lift Motor
Force Coil Assembly
Shuttle Stepper Motor
ThermoMechanical Analysis
熱 機 械 分 析 儀
(TMAQ400/Q400EM)
TMA 靜態機械分析儀原理 (Thermal Mechanical Analyzer)
所有材料在溫度變化時都會有物性上的變 化，如膨脹收縮、軟化、交聯硬化等，而為一 些材料在不同溫度下的物性，常用的量測工具 之一是靜態機械分析儀(Thermal Mechanical Analyzer, TMA)。
50 2
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TMA 2rd run
0
Dimension Change (痠)
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TMA 1st run
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Exo Up
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Universal V3.0G TA Instruments
Temperature (蚓)
* Recommended heating rate for measuring Tg.
測試方法
樣品重量：15~25mg 操作步驟： 1.打磨試樣邊緣，去除毛刺 2.把樣品于105±2℃的溫度下處理2±0.25小時。試驗前在干燥器中冷 卻至室溫，至少冷卻0.5小時 3.從低于試樣預計Tg至少30℃開始掃描 4.除非另有規定，以20℃/min的速度升溫 5.升溫至轉變區以上至少30℃ 6.升溫至規定的溫度，然后在此溫度下恆溫15min 7.立即冷卻至起始條件，重復步驟3到5. 注意事項: 1.有些DSC曲線在轉變區的前后會出現一些尖峰，這種情況是由于材 料的崎變，如應力的釋放和水分，與Tg無關，這種偏移不必對作 圖程序做任何改變，可以詎儀器冷卻下來后再重新測試; 2.由于水分和其他因素的影響，單面或未覆箔層壓板會出現不可靠的 固化因數數據 3.單面或未覆箔層壓板比相同的雙面覆箔板的Tg低8~15℃。
TMA:CTE (線膨脹係數) TEST
Sample: SAMPLE 12(PCB) 1st Size: 5.7711 mm Comment: 10°C/MIN,N2,N=0.05N 120
TMA
File: C:...\¹êÅç¼Æ¾Ú\SAMPLE 12(PCB)-TMA.001 Operator: SUNNY Run Date: 15-Jan-01 17:43