加熱技術(shù)在半固化片裁切中的應(yīng)用

李紅利 裴同戰(zhàn) 徐高勇

廣東正業(yè)科技股份有限公司

1 引言

印制電路板用半固化片，主要由樹(shù)脂和增強(qiáng)材料構(gòu)成的一種片狀預(yù)浸材料，其中樹(shù)脂處于B階段結(jié)構(gòu)。在溫度和壓力作用下，具有可流動(dòng)性并能很快的固化和完成粘結(jié)過(guò)程。它與增強(qiáng)材料一起構(gòu)成絕緣層，是多層印制電路板制造中不可缺少的層壓材料。隨著多層板生產(chǎn)量迅速發(fā)展，半固化片的需求量也不斷增加[1]。然而將半固化片按照規(guī)定的尺寸進(jìn)行高質(zhì)量的裁切目前仍然是一個(gè)難題。

目前國(guó)內(nèi)半固化片的分切裁剪主要通過(guò)純機(jī)械裁切設(shè)備進(jìn)行，這種純機(jī)械裁切的、工藝所產(chǎn)生的最大問(wèn)題主要有兩個(gè)：

（1）一是切口邊緣會(huì)因?yàn)闄C(jī)械力的作用而發(fā)白分層，產(chǎn)生許多破碎的細(xì)小樹(shù)脂和玻璃纖維粉塵；這些粉塵因?yàn)殪o電的作用漂浮在空氣中，粘附在裁切設(shè)備上以及裁切好的半固化表面，不僅破壞工作環(huán)境，而且影響產(chǎn)品的質(zhì)量；在下一工序附著銅箔時(shí)，由于異物混入，容易產(chǎn)生打痕等缺陷問(wèn)題。尤其近年來(lái)隨著線路的高密度化，防止切割粉塵所造成的異物混入的問(wèn)題要求越來(lái)越嚴(yán)格。

（2）二是切口邊緣處的玻璃布纖維易被扯出、散開(kāi)，形成絨毛狀物，導(dǎo)致切口邊緣質(zhì)量變差，直接影響半固化片的后序加工質(zhì)量。

這些缺陷，嚴(yán)重影響了半固化片的分切裁剪質(zhì)量，制約了我國(guó)高端PCB、CCL產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)。隨著PCB、CCL生產(chǎn)的精細(xì)化，對(duì)PCB、CCL產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，對(duì)分切車間的清潔生產(chǎn)和環(huán)境以及操作人員的身體健康標(biāo)準(zhǔn)要求也大幅度提高。因此，迫切需要對(duì)傳統(tǒng)的純機(jī)械裁切方式進(jìn)行改進(jìn)與完善。

2 半固化片的分切方法

半固化片的分切主要通過(guò)經(jīng)向分條和緯向分片兩個(gè)動(dòng)作完成。切割半固化片時(shí)，一般多采用圓盤(pán)滾刀或直刀進(jìn)行經(jīng)向分條，采用下刀上裁或上刀下裁的方法進(jìn)行緯向分片。對(duì)于經(jīng)向分條切切削刃將半固化片刺破，切割過(guò)程中，切點(diǎn)不動(dòng)，牽引輥牽引半固化片向前移動(dòng)，靠牽引力將半固化片縱向撕破從而分條；這種裁切方法不可避免的會(huì)出現(xiàn)玻璃纖維被扯斷、樹(shù)脂粉塵掉落等現(xiàn)象。

對(duì)于橫向分片，無(wú)論是上刀下裁還是下刀上裁都是靠機(jī)械沖擊的剪切力剪斷半固化片，因?yàn)闄C(jī)械力的作用，刃口邊緣的樹(shù)脂破碎、產(chǎn)生樹(shù)脂粉塵在所難免。

總之，傳統(tǒng)的純機(jī)械裁切方法在分切半固化片時(shí)不可避免的會(huì)帶來(lái)粉塵污染以及后續(xù)產(chǎn)品的缺陷。傳統(tǒng)的裁切效果如圖1、圖2所示：

圖1 傳統(tǒng)縱切裁切方法

圖2 傳統(tǒng)橫切裁切方法

由圖1、圖2可知，采用傳統(tǒng)的裁切方法，裁切刃口毛邊較寬，而且隨著刃口變鈍，毛邊會(huì)越來(lái)越寬。另外，切口發(fā)白現(xiàn)象比較嚴(yán)重，樹(shù)脂粉末掉落較嚴(yán)重。這些都是多年來(lái)令業(yè)界工程師深感頭痛的問(wèn)題。

為了控制粉塵量及玻璃纖維的產(chǎn)生，國(guó)內(nèi)外在半固化片分切的研究方面也在不斷探索，研究出合適的用于裁切半固化片的方法已經(jīng)迫在眉睫。目前世界上在減少粉塵及玻璃纖維脫落的分切方法上主要有不使用切割刀的非接觸式切割方法，以及切割前加熱使樹(shù)脂軟化的接觸性接觸裁切方法。

2.1 非接觸性裁切

非接觸式切割方式主要有：水射流、CO2激光、紫外激光，如表 1 所示條件進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)[2]。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖3所示為采用水射流方式進(jìn)行切割的效果圖，切割面有毛刺，切口不整齊。

表1 非接觸式切割實(shí)驗(yàn)

圖3 水射流方式切面效果

圖4 CO2激光切割效果

CO2激光和紫外激光切割，通過(guò)激光切割，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)粉塵產(chǎn)生的切割。但是激光切割時(shí)，如圖4所示，由于玻璃纖維和樹(shù)脂必須同時(shí)切斷，需達(dá)到玻璃纖維的熔 點(diǎn)（約840 ℃）以上，這樣就會(huì)造成熔點(diǎn)低的樹(shù)脂炭化（炭化溫度300 ℃）。圖4所示為CO2切割樣品的切割面效果圖。從圖中可以看出，雖然切割面的樹(shù)脂熔化，切割面并未產(chǎn)生粉塵，但是切割面已經(jīng)發(fā)黑、炭化，不能滿足生產(chǎn)要求。

2.2 接觸性裁切

為了控制半固化片裁切過(guò)程中粉塵的產(chǎn)生，在接觸性裁切之前采用加熱的方法將半固化片中的樹(shù)脂軟化，繼而再快速進(jìn)行裁切或者加熱的同時(shí)進(jìn)行裁切。以加熱的方式來(lái)講，其裁切機(jī)理都是通過(guò)控制加熱溫度軟化切割部位的樹(shù)脂，然后用切刀進(jìn)行切割，達(dá)到對(duì)切口邊緣自動(dòng)封邊，不會(huì)在切口邊緣產(chǎn)生玻璃纖維布粉塵現(xiàn)象，無(wú)需后續(xù)處理，從而解決了裁切過(guò)程中和裁切后PCB/CCL半固化片邊緣散開(kāi)和裁切粉塵大的問(wèn)題。

2.2.1 超聲波切割

超聲波切割的原理與傳統(tǒng)意義上的切割原理完全不同，它是利用超聲波的能量，將被切割材料的局部加熱熔化，從而達(dá)到切割材料的目的，所以超聲波切割不需要鋒利的刃口，也不需要很大的壓力，不會(huì)造成被切割材料的崩邊、破損。

另外超聲波切割還有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，就是它在切割的同時(shí)，在切割部位有熔合作用。切割部位被完美地封邊，從而防止被切割材料組織的松散。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用手持式20 W振蕩頻率為39.5 kHz的超聲波對(duì)對(duì)0.2 mm的半固化片進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切割刃口平整，沒(méi)有粉塵掉落， 沒(méi)有發(fā)白變硬的現(xiàn)象，另外沒(méi)有毛邊，沒(méi)有燒焦、鋸齒等現(xiàn)象，封邊效果良好，速度每分鐘2米左右。顯然這樣的速度無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，如果要保證至少30 m/min的生產(chǎn)速度，且要達(dá)到刃口能夠自動(dòng)封邊，就需要大大加大超聲波發(fā)生器的功率，但是增大功率、消除粉塵的同時(shí)產(chǎn)生了噪音的污染以及刃口邊緣發(fā)黑的現(xiàn)象。

2.2.2 紅外加熱與熱吹風(fēng)加熱切割

紅外加熱是一種輻射加熱。紅外線的特點(diǎn)在于其光束的非色散性，當(dāng)其發(fā)射時(shí)，能使能量高度集中；另外紅外線又有很強(qiáng)的穿透能力，短波輻射能夠穿透一些固體材料，加熱均勻。紅外輻射器發(fā)出的紅外光被材料以分子（原子）共振的形式吸收，從而達(dá)到對(duì)物體進(jìn)行加熱的目的。這種輻射加熱方式以匹配的波長(zhǎng)、選擇性的穿透能力，定向而直接地對(duì)物體表面及一定的深度進(jìn)行加熱，是非常高效的加熱方式，近年來(lái)紅外加熱方式被越來(lái)越多的應(yīng)用到食品加工、現(xiàn)代紡織、汽車制造等等工業(yè)領(lǐng)域。

紅外加熱與傳統(tǒng)熱風(fēng)加熱最大的區(qū)別是，紅外線有很強(qiáng)的穿透性，可同時(shí)被半固化片表面的樹(shù)脂和內(nèi)部的玻璃纖維吸收，從內(nèi)到外或同步地加熱；傳統(tǒng)熱風(fēng)加熱只是從半固化片表面加熱，逐步向內(nèi)熱傳導(dǎo)[3]。而紅外波長(zhǎng)越短，穿透力越強(qiáng)，加熱速度越快。短波紅外加熱采用鎢絲燈管，熱容量低，設(shè)備啟動(dòng)后，能在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)達(dá)到80%的能量輸出，幾秒鐘內(nèi)達(dá)到100%的能量輸出，具有很高的熱響應(yīng)速度，確保了系統(tǒng)的即開(kāi)即用、即關(guān)即停，避免能量的無(wú)效投入。傳統(tǒng)的熱風(fēng)加熱系統(tǒng)，熱響應(yīng)時(shí)間則更長(zhǎng)，且機(jī)組短時(shí)停機(jī)時(shí)，傳統(tǒng)加熱各級(jí)系統(tǒng)通常要持續(xù)運(yùn)行，浪費(fèi)能源。

紅外加熱方式與傳統(tǒng)的傳熱方式不同，可沿著放射方向直接投射給對(duì)象物，對(duì)象物受到直熱后，產(chǎn)生共鳴吸收。鑒于不同的物質(zhì)都有特定的吸收光譜，為提高熱效率，必須使紅外線輻射加熱器的輻射波長(zhǎng)與被加熱材料的吸收波長(zhǎng)范圍一致。為此，首先必須尋找被加熱材料的有效吸收波長(zhǎng)，再為之匹配最適合的紅外輻射器。

表2 不同溫度下紅外輻射光波波長(zhǎng)和輻射功率

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 紅外加熱后裁切與純機(jī)械裁切對(duì)比

根據(jù)半固化片自身的特性，通過(guò)多種加熱方法的對(duì)比，在半固化片分切方面采用紅外加熱技術(shù)，通過(guò)控制紅外輻射器的功率密度來(lái)調(diào)節(jié)紅外光波波長(zhǎng)，繼而通過(guò)精確控制加熱時(shí)間，使半固化片中的樹(shù)脂在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到軟化溫度但是尚未達(dá)到玻璃纖維布得燃燒溫度的條件下進(jìn)行裁切，達(dá)到對(duì)切口邊緣封邊的目的，從而達(dá)到消除傳統(tǒng)半固化片分切過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵、玻璃纖維絲等現(xiàn)象。

圖5 傳統(tǒng)冷切的縱切裁切效果

圖6 紅外加熱縱切裁切效果

通過(guò)圖5、圖6裁切對(duì)比可以看出，傳統(tǒng)冷切縱切裁切時(shí)，粉塵掉落嚴(yán)重，毛邊寬度較寬，達(dá)到2 mm；而采用紅外加熱后的縱切效果非常良好，幾乎沒(méi)有明顯粉塵掉落，毛邊寬度≤0.5 mm。

圖7 傳統(tǒng)冷切橫切裁切效果

圖8 紅外加熱橫切裁切效果

由圖7、圖8看出傳統(tǒng)冷切的橫切效果，從顯微鏡下觀察到：采用傳統(tǒng)純機(jī)械裁切的橫切的刃口發(fā)白現(xiàn)象比較明顯，毛邊較寬，而采用紅外加熱后橫切的效果非常良好，刃口整齊，顯微鏡下觀察也沒(méi)有發(fā)白、掉粉、玻璃纖維現(xiàn)象，刃口非常正切平整。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 可以看出相對(duì)傳統(tǒng)的裁切方式而言，采用紅外加熱后再裁切的方法可以有效減少粉塵及玻璃絲脫落的現(xiàn)象?？梢悦靼祝?/p>

（1）作為加熱切割方式的加熱源，紅外加熱有效（切割時(shí)，幾乎不產(chǎn)生粉塵、且能自動(dòng)封邊，減少后續(xù)工序）

（2）切割效果與紅外輻射器的功率密度有直接的關(guān)系。要保證切割邊緣不掉粉塵、能夠自動(dòng)封邊且不固化，紅外輻射器發(fā)射的紅外光波長(zhǎng)是個(gè)關(guān)鍵。

3.2 凝膠化時(shí)間測(cè)試

凝膠化時(shí)間指樹(shù)脂在加熱情況下，處于液態(tài)流動(dòng)的總時(shí)間。凝膠時(shí)間一般為140 s ～ 190 s。凝膠時(shí)間長(zhǎng)，樹(shù)脂有充分時(shí)間來(lái)潤(rùn)濕圖形，并能有效地填滿圖形，是衡量半固化片固化程度的一個(gè)主要指標(biāo)，同時(shí)也有利于壓制參數(shù)的控制。紅外加熱后進(jìn)行裁切的這種方法是否真的有效，我們必須通過(guò)凝膠化時(shí)間測(cè)試或者層壓實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證， 如果時(shí)間在合格材料的凝膠化時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，說(shuō)明此加熱方法有效。

采用2116半固化片，以30 m/min的速度卷料，用紅外加熱的方法分切半固化片，連雪分切30片，用剪刀將刃口處1.5 mm以內(nèi)的半固化片剪掉，揉出粉末，用篩網(wǎng)過(guò)濾掉玻璃纖維碎屑，按照正確凝膠化時(shí)間測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行凝膠化時(shí)間測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表3～表4。

下述加熱前后凝膠化時(shí)間測(cè)試對(duì)比表明，加熱后再進(jìn)行裁切，凝膠化時(shí)間略微有所改變，但是仍然在合格范圍之內(nèi)，說(shuō)明此種裁切方法有效。

圖9 取刃口邊緣出1.5 mm實(shí)驗(yàn)

表3 2116紅外動(dòng)態(tài)加熱縱切實(shí)驗(yàn)（v=30m/min）

表4 2116為加熱區(qū)域半固化片（v=30m/min）

4 結(jié)論

本文論述加熱技術(shù)在半固化片裁切中的應(yīng)用，主要對(duì)比了激光、熱吹風(fēng)、超聲波、紅外加熱以及水射流等切割方法在半固化片裁切工藝中的應(yīng)用；并通過(guò)種種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及性能測(cè)試論證了紅外加熱的裁切方法有效可行，改善半固化片切割過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵以及玻璃纖維污染，提高了半固化片切割的質(zhì)量以及產(chǎn)品良率，同時(shí)節(jié)約了能源，提高了工人工作環(huán)境的質(zhì)量。

[1]祝大同.基材—覆銅箔板技術(shù)基礎(chǔ)[J].技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)講座,?1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.

[2]加地良行, 大口哲哉.草田晃司.通過(guò)CO2激光加熱切割半固化片的方法[J].松下電工技報(bào),2002,8.

[3]生意社.短波紅外加熱技術(shù)在連續(xù)板鋼生產(chǎn)線上的應(yīng)用[EB/OL].http://www.toopainting.com/20090317.

[4]辰光.半固化片的基礎(chǔ)知識(shí)[J].印制電路信息,2004,9:23～25.