熱分析-TMA TMA/熱機械分析儀/熱膨脹係數儀原理及應用【更新日期: 2023/12/18】

【更新日期: 2023/12/18】

TMA/熱機械分析儀/熱膨脹係數儀原理

TMA (Thermal Mechanical Analyzer) 熱機械分析儀，為材料科學最基本的測量工具之一。TMA能測量出各種不同材質樣品非常微量的尺寸變化、應力應變、潛變復原與機械黏彈性等多種資料。

TMA利用加熱爐提供一穩定的升溫、降溫的環境並以不同的感測器來量測材料的基本特性, 如內部的LVDT線性位移感測器來偵測樣品的尺寸變化，並透過上方的壓力馬達來控制施力大小以及更進階的靜態力、動態力的改變，進而測得材料的應力應變或黏彈性質數據。

TMA/熱機械分析儀/熱膨脹係數儀應用

TMA最重要的參數就是力量大小及精細度另外就是LVDT的尺寸量測靈敏度, 力量大小牽涉到可以作什麼樣的應用, 例如軟化點測試, 可能力量就會用到5N,且較大的力量所能應用的材料種類也更加的廣泛，力量解析度則是代表所能控制的精細程度, 例如測試楊氏係數時SS curve 模式下就需要控制每分鐘多少力量增加速度, 而LVDT感測器其尺寸變化靈敏度就影響到測試時樣品細微的尺寸變化都能量測到。

利用TMA觀測其Tg點 & CTE (熱膨脹係數)

TMA主要在測試樣品隨著溫度的變化而發生的尺寸改變，大多數材料受熱而膨脹、遇冷收縮即可透過TMA來分析其尺寸的變異來瞭解其安定性。在複合式元件例如：PCB板既可透過CTE的量測瞭解各層材料在其工作溫度的區間會否因為CTE差異過大而造成Peeling。

TMA所量測的尺寸變化反應在膨脹係數CTE上，透過CTE的量測可以知道樣品升溫過程中尺寸的改變。而TMA所量測到的是Z軸方向的尺寸變化，因此所得之CTE為樣品的線膨脹係數。

一般來說的高分子材料會有所謂玻璃轉移溫度Tg點，其代表的意義在於分子間結構的改變，由玻璃態轉移成橡膠態的變化溫度；在變化前後會因為結構不同而有明顯的CTE改變，TMA透過觀察到CTE的改變從而得知該樣品的Tg。

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舉凡各種單一材料，其膨脹收縮、膨脹係數 ( CTE ),等尺寸安定性的量測，並藉由膨脹係數的變化量測到Tg玻璃轉移溫度, 進一步到複合材料如電路板的剝離Peeling (IPC-TM650)、電子晶片封裝的材料曲翹 (warpage), 軟化點 ( Softening temperature ), 以及更進階的材料資訊需要瞭解楊氏模數(Young Modulus) 測試應力應變 ( Stress & Strain S-S Curve), 或利用特殊的擴充頻率功能測試機械黏彈性質 ( Modulus/Viscosity & tan delta ), 潛變復原 ( Creep & Relaxation)等特性，各種材料尺寸會隨溫度而變化的產品，都可經由TMA(Thermal Mechanical Analyzer) 熱機械分析儀獲得材料的機械性質（膨脹、收縮、強度、軟化…等）與溫度、時間之間變化的特性，對於各種產品設計及制程都能提供極為重要的測量資訊。