軟硬結(jié)合板孔周邊聚酰亞胺撕裂改善研究

朱光遠(yuǎn) 鐘美娟 肖 璐

（廣東生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

0 引言

近年來，受消費(fèi)電子和汽車電子市場發(fā)展的影響，軟硬結(jié)合板需求增長較快，但同時客戶對產(chǎn)品的可靠性能要求也越來越嚴(yán)苛。

軟硬結(jié)合板集撓性板和剛性板的優(yōu)點(diǎn)于一身，但由于軟硬結(jié)合板層間存在剛性覆銅板、撓性聚酰亞胺（polyimide，PI）、半固化片、銅等多種材料，各種材料的熱膨脹系數(shù)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等性能參數(shù)有差異，如材料選擇或加工參數(shù)不匹配，會導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性無法滿足要求［1］。在流程加工工藝中，主要有層壓、鉆孔、電鍍等與產(chǎn)品可靠性相關(guān)。在軟硬結(jié)合板實(shí)際加工過程中，出現(xiàn)鉆孔后孔周邊PI撕裂現(xiàn)象（如圖1所示），對產(chǎn)品可靠性影響較大。

圖1 軟硬結(jié)合板孔周邊PI撕裂切片

針對軟硬結(jié)合板孔周邊PI 撕裂不良，本文通過不同種類PI、鉆刀和鉆孔加工參數(shù)對PI撕裂的影響程度，分析確定PI撕裂原因，并制定改善措施，提升軟硬結(jié)合板的產(chǎn)品質(zhì)量。

1 孔周邊PI撕裂不良原因

針對軟硬結(jié)合板孔周邊PI撕裂不良現(xiàn)象，匯總不良產(chǎn)品信息，采用思維導(dǎo)圖方式分析原因，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.1 PI撕裂不良信息匯總

某型號多批次產(chǎn)品均有孔周邊PI撕裂不良的情況，該產(chǎn)品為6層通孔板，一次壓合，疊構(gòu)如圖2所示，其信息見表1。目前暫未發(fā)現(xiàn)其他型號出現(xiàn)不良情況。

圖2 不良產(chǎn)品疊構(gòu)

表1 PI撕裂不良的產(chǎn)品情況信息

經(jīng)分析和試驗(yàn)可知，問題批次4 批，不良孔徑0.40 mm，不良位置為軟板芯板層（無鋪銅）。對不良產(chǎn)品進(jìn)行垂直切片和水平切片確認(rèn)，在常態(tài)、熱應(yīng)力和回流焊條件下，軟硬結(jié)合板的PI 均出現(xiàn)撕裂分層不良情況，如圖3所示。

圖3 不良產(chǎn)品PI撕裂切片

1.2 軟硬結(jié)合板孔周邊PI撕裂原因

匯總軟硬結(jié)合板PI撕裂不良信息，初步分析造成不良的原因可能有4點(diǎn)，如圖4所示。其中，單型號多批次出現(xiàn)異常，不良位置均位于軟板PI 中間，初步排除層壓參數(shù)異常和電鍍參數(shù)異常不良。

圖4 PI撕裂不良原因思維導(dǎo)圖

2 孔周邊PI撕裂不良改善試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別對軟板PI 類型、鉆孔參數(shù)和鉆頭展開試驗(yàn)對比，見表2。3個變量具體數(shù)值差異見表3。

表2 PI撕裂改善試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表3 PI撕裂改善試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件

金相顯微鏡：200倍、錫爐。

立體顯微鏡：50倍、孔位精度測試儀。

2.3 流程設(shè)計(jì)

與不良型號一致，使用6 層板通孔設(shè)計(jì)，疊層結(jié)構(gòu)不變。

試板流程設(shè)計(jì)流程為：芯板開料→內(nèi)層前處理→內(nèi)層線路曝光→層壓→銑板邊→鉆孔→去毛刺→等離子體→水平除膠→水平沉銅→板面電鍍→外層前處理→外層線路曝光→外層酸性蝕刻→外層線路掃描→切片分析。

2.4 結(jié)果判定

通過水平切片觀察PI撕裂情況，并用立體顯微鏡、孔位精度測試儀對比不同參數(shù)的加工效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同鉆頭對PI撕裂的改善效果

發(fā)生不良的原軟板材料（A 類PI），疊板數(shù)2塊，使用UC 鉆頭和USF 鉆頭加工對比，2 種鉆頭的螺旋角均為40°，刃長均為6.5 mm。加工后，在立體顯微鏡下觀察達(dá)到壽限鉆頭的纏絲情況。加工結(jié)果如圖5所示。

圖5 加工后不同鉆頭效果

由圖5可知，USF 鉆頭未有纏絲，UC 鉆頭有輕微纏絲殘留。測試2種鉆頭加工后產(chǎn)品鉆孔的精度，兩者孔位精度均滿足±0.075 mm要求。以水平切片確認(rèn)不同鉆刀對PI撕裂的改善效果，結(jié)果如圖6所示，2種鉆頭以原鉆孔參數(shù)在原軟板基材制作，加工后均出現(xiàn)PI撕裂不良。

圖6 不同鉆頭加工后水平切片

綜上所述，原UC鉆頭和USF鉆頭以相同參數(shù)完成鉆孔加工，USF鉆頭可改善鉆頭纏絲，但成品仍出現(xiàn)PI撕裂不良，說明PI撕裂不是由鉆頭纏絲導(dǎo)致，增加鉆頭排屑量對PI 撕裂不良無明顯改善作用。

3.2 提高鉆速和落速對PI撕裂的改善結(jié)果

發(fā)生不良的原軟板材料（A 類PI），疊板數(shù)2塊，以原UC鉆頭使用不同的鉆孔參數(shù)加工，并測試鉆孔精度，提高鉆速和落刀速，孔位精度滿足±0.075 mm要求。電鍍后，以水平切片確認(rèn)提高鉆速和落速對PI撕裂改善效果，但提高鉆速產(chǎn)品仍然出現(xiàn)PI撕裂不良。

綜上所述，加快鉆速、減少鉆頭與PI的加工接觸時間不能改善PI撕裂不良，排除鉆速過慢導(dǎo)致PI被拉裂的可能。

3.3 不同軟板PI產(chǎn)品對PI撕裂的改善結(jié)果

發(fā)生不良的原軟板材料（A類PI）和其他軟板材料（B類PI）制作軟硬結(jié)合板產(chǎn)品，疊板數(shù)2塊，以原UC鉆頭和原鉆孔參數(shù)加工，加工后平磨水平切片，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，鉆孔加工參數(shù)不變，使用B 類PI 制作的軟硬結(jié)合板產(chǎn)品未出現(xiàn)PI 撕裂不良，而原A 類PI 制作的軟硬結(jié)合板產(chǎn)品仍出現(xiàn)PI 撕裂不良。

圖7 不同軟板材料產(chǎn)品水平切片

綜上所述，PI撕裂不良與軟板材料性能相關(guān)，使用B 類PI 制作軟硬結(jié)合板可改善鉆孔PI 撕裂不良情況。

4 分析與討論

4.1 軟硬結(jié)合板PI撕裂產(chǎn)生的機(jī)理

軟硬結(jié)合板鉆孔過程主要是鉆刀對材料切削，以及材料特性對切削影響相互作用的過程。軟硬結(jié)合板PI撕裂產(chǎn)生原因從上述2方面分析。

鉆頭進(jìn)入材料時，鉆頭側(cè)刃對材料切削和擠壓，導(dǎo)致材料發(fā)生形變，但材料本身存在反作用力，阻止材料發(fā)生形變，如圖8所示。

圖8 軟硬結(jié)合板鉆孔加工示意

軟硬結(jié)合板中有PI、FR4、半固化片和銅材料，鉆孔后的FR4、半固化片及PI 出現(xiàn)分層或撕裂的特性值為彈性模量和抗撕裂強(qiáng)度。各材料特征值見表4。

在表4中，彈性模量為材料抗彈性變形力。彈性模量大的材料，其彈性變形小，而抗撕裂強(qiáng)度為撕裂薄膜試樣所需的力。

表4 A類PI與B類PI性能參數(shù)表

由表4可知，A 類PI 彈性模量值最小，在鉆孔加工時，其材料彈性變形量比B 類PI 和FR4 的材料大。A 類PI 材料發(fā)生形變時，其材料自身反作用力（抗撕裂強(qiáng)度）比B類PI和FR4的材料小，導(dǎo)致其在鉆孔加工后容易出現(xiàn)撕裂不良情況。

4.2 A類PI與B類PI性能差異

PI 是主鏈含亞胺結(jié)構(gòu)的聚合物統(tǒng)稱。其中亞胺骨架在主鏈結(jié)構(gòu)上的聚合物不僅合成困難且無實(shí)用性，但環(huán)狀結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺實(shí)用性強(qiáng)，因此一般所說的PI是指環(huán)狀PI，如圖9所示。

圖9 直鏈和環(huán)狀聚酰亞胺分子結(jié)構(gòu)

PI 還可進(jìn)一步分為由芳香族四羧酸和二胺為原料、通過縮聚反應(yīng)得到的縮聚型PI，該種材料已被大規(guī)模商品化，應(yīng)用廣泛。其中，A 類PI 和B 類PI的合成方法相同，但采用的芳香族四羧酸分子不一樣，A 類、B 類PI 的合成反應(yīng)式如圖10所示。

圖10 A類、B類PI合成反應(yīng)示意

由圖10可知，A 類PI 合成時使用了均苯四羧酐，B 類PI 合成時使用了聯(lián)苯四羧酸二酐，兩者的化學(xué)單體不一致，后者的分子量比前者大。

橫田力男［2］認(rèn)為，PA 合成單體分子量對最終得到的PI 薄膜的拉伸特性（拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長和拉伸模量）有較大影響。因此，與A 類PI 相比，B類PI具有更高的抗撕裂強(qiáng)度。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用B 類PI 軟板板材制作試板，保持原疊層設(shè)計(jì)和鉆孔生產(chǎn)參數(shù)，軟板層不鋪銅，孔徑分別為0.2、0.3 和0.4 mm，孔壁間距0.45 mm，孔限1 000，按原流程生產(chǎn)測試。電鍍后，分別進(jìn)行水平切片和垂直切片確認(rèn)，結(jié)果如圖11所示。

圖11 B類PI軟板不同孔徑切片

由圖11可知，試板中不同孔徑的測試模塊垂直切片和水平切片均未出現(xiàn)PI撕裂不良，鉆孔參數(shù)、鉆頭類型等生產(chǎn)條件均未變更，將軟板材料更換為B類PI可改善軟硬結(jié)合板PI撕裂不良。

綜上所述，軟板材料性能對孔周邊PI撕裂影響最大。使用抗撕裂強(qiáng)度小的A 類PI 制作軟硬結(jié)合板，容易出現(xiàn)PI撕裂不良，說明增大材料抗撕裂強(qiáng)度可解決軟硬結(jié)合板PI撕裂問題。

5 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)對比鉆頭、鉆孔參數(shù)和不同軟板材料對孔周邊PI撕裂的影響，研究了軟硬結(jié)合板孔周邊PI撕裂問題，并得到如下結(jié)論：

（1）A類PI使用均苯四羧酐與二胺合成，B類PI使用聯(lián)苯四羧酐二酐與二胺合成，單體聯(lián)苯四羧酐合成的B 類PI 分子量更大，其抗撕裂表現(xiàn)更佳；

（2）A類PI材料抗撕裂強(qiáng)度值低，鉆孔時材料形變超出材料本身的抗撕裂強(qiáng)度，是導(dǎo)致軟硬結(jié)合板孔周邊PI撕裂的根本原因；

（3）加快鉆頭鉆速對孔周邊PI 撕裂無改善作用；

（4）通過增加排屑量的鉆頭對軟硬結(jié)合板的孔周邊PI撕裂無改善作用。