软硬结合板孔周边聚酰亚胺撕裂改善研究_朱光远.pdf

印制电路信息 2023 No.1XXXX XXXX挠性板与刚挠板 FPC and R-FPC软硬结合板孔周边聚酰亚胺撕裂改善研究朱光远 钟美娟 肖璐（广东生益电子股份有限公司，广东 东莞 523127）摘要软硬结合板孔周边聚酰亚胺（PI）撕裂为偶发的不良现象，业内一般通过调整钻孔参数进行改善，但这种调整会增加生产成本，且改善效果不明显。为彻底解决这一问题，本文通过试验对比不同钻孔参数和软板材料。结果表明：PI撕裂不良的根本原因是软板材料的抗撕裂强度低，使用不同钻刀和提高转速均无法改善，替换抗撕裂强度更大的软板材料制作可完全解决问题。研究结果以期为业界制作高可靠性的软硬结合板产品提供依据，为认证软板材料提供借鉴。关键词软硬结合板；孔周边PI撕裂；抗撕裂强度中图分类号：TN41 文献标志码：A文章编号：20090096（2023）01003807The improvement of PI material tearing around the hole in R-FPCBZHU GuangyuanZHONG MeijuanXIAO Lu(Shengyi Electronics Co.,Ltd.,Dongguan 523127,Guangdong,China)AbstractPI tearing around the hole is an occasional adverse phenomenon in R-FPCB,which is generally improved by adjusting parameters in the industry.However,such adjustment takes increasing production cost as the cost,and the improvement effect is not obvious.In order to completely solve this problem,through the test comparison of different drilling parameters and different PI,it is concluded that PI root with poor tearing with low tearing strength,which can not be improved by using different drilling tools and increasing the rotate speed.This finding provides the basis for the manufacture of high reliability R-FPCB,also provides a reference method for the certification of FPCB.Key wordsRFPCB;PI tear around the hole;tear strength0引言近年来，受消费电子和汽车电子市场发展的影响，软硬结合板需求增长较快，但同时客户对产品的可靠性能要求也越来越严苛。软硬结合板集挠性板和刚性板的优点于一身，但由于软硬结合板层间存在刚性覆铜板、挠性聚酰亚胺（polyimide，PI）、半固化片、铜等多种材料，各种材料的热膨胀系数、玻璃化转变温度等性能参数有差异，如材料选择或加工参数不匹配，会导致产品可靠性无法满足要求1。在流程加工作者简介：朱光远，男，高级工程师，主要研究方向为软硬结合板相关工艺及产品开发。-38印制电路信息 2023 No.1XXXX XXXX挠性板与刚挠板 FPC and R-FPC工艺中，主要有层压、钻孔、电镀等与产品可靠性相关。在软硬结合板实际加工过程中，出现钻孔后孔周边PI撕裂现象（如图1所示），对产品可靠性影响较大。针对软硬结合板孔周边PI撕裂不良，本文通过不同种类PI、钻刀和钻孔加工参数对PI撕裂的影响程度，分析确定PI撕裂原因，并制定改善措施，提升软硬结合板的产品质量。1孔周边PI撕裂不良原因针对软硬结合板孔周边PI撕裂不良现象，汇总不良产品信息，采用思维导图方式分析原因，并进行试验验证。1.1PI撕裂不良信息汇总某型号多批次产品均有孔周边PI撕裂不良的情况，该产品为6层通孔板，一次压合，叠构如图2所示，其信息见表1。目前暂未发现其他型号出现不良情况。经分析和试验可知，问题批次 4批，不良孔径 0.40 mm，不良位置为软板芯板层（无铺铜）。对不良产品进行垂直切片和水平切片确认，在常态、热应力和回流焊条件下，软硬结合板的PI均出现撕裂分层不良情况，如图3所示。1.2软硬结合板孔周边PI撕裂原因汇总软硬结合板PI撕裂不良信息，初步分析造成不良的原因可能有4点，如图4所示。其中，单型号多批次出现异常，不良位置均位于软板PI中间，初步排除层压参数异常和电镀参数异常不良。图1软硬结合板孔周边PI撕裂切片图2不良产品叠构表1PI撕裂不良的产品情况信息 类别硬板板材软板板材板厚/mm压合程序最小孔距/mm最小孔径/mm所用钻头钻孔参数叠板数情况信息IT180ATCA类PI软板板材1.45#0.520.40UCNBH500 Z0.33 S88 F62 U6002-39印制电路信息 2023 No.1挠性板与刚挠板 FPC and R-FPC2孔周边PI撕裂不良改善试验2.1试验设计分别对软板PI类型、钻孔参数和钻头展开试验对比，见表2。3个变量具体数值差异见表3。2.2实验设备及条件金相显微镜：200倍、锡炉。立体显微镜：50倍、孔位精度测试仪。2.3流程设计与不良型号一致，使用 6层板通孔设计，叠层结构不变。试板流程设计流程为：芯板开料内层前处理内层线路曝光层压铣板边钻孔去毛刺等离子体水平除胶水平沉铜板面电镀外层前处理外层线路曝光外层酸性蚀刻外层线路扫描切片分析。2.4结果判定通过水平切片观察PI撕裂情况，并用立体显微镜、孔位精度测试仪对比不同参数的加工效果。表3PI撕裂改善试验设计物料/内容A类PIB类PI原钻孔参数新钻孔参数项目抗撕裂强度/g弹性模量/Mpa抗撕裂强度/g弹性模量/Mpa转速/（rmin1）转速/（rmin1）数值1 0295.51 1506.788115图3不良产品PI撕裂切片图4PI撕裂不良原因思维导图表2PI撕裂改善试验设计序号123类型双刃单槽钻头软板芯板钻孔参数类别USF钻头、UC钻头A类PI、B类PI原参数、新参数（提高转速和落速）-40印制电路信息 2023 No.1XXXX XXXX挠性板与刚挠板 FPC and R-FPC3试验结果3.1不同钻头对PI撕裂的改善效果发生不良的原软板材料（A类PI），叠板数2块，使用UC钻头和USF钻头加工对比，2种钻头的螺旋角均为40，刃长均为6.5 mm。加工后，在立体显微镜下观察达到寿限钻头的缠丝情况。加工结果如图5所示。由图5可知，USF钻头未有缠丝，UC钻头有轻微缠丝残留。测试2种钻头加工后产品钻孔的精度，两者孔位精度均满足0.075 mm要求。以水平切片确认不同钻刀对PI撕裂的改善效果，结果如图6所示，2种钻头以原钻孔参数在原软板基材制作，加工后均出现PI撕裂不良。综上所述，原UC钻头和USF钻头以相同参数完成钻孔加工，USF钻头可改善钻头缠丝，但成品仍出现PI撕裂不良，说明PI撕裂不是由钻头缠丝导致，增加钻头排屑量对 PI 撕裂不良无明显改善作用。3.2提高钻速和落速对PI撕裂的改善结果发生不良的原软板材料（A类PI），叠板数2块，以原UC钻头使用不同的钻孔参数加工，并测试钻孔精度，提高钻速和落刀速，孔位精度满足0.075 mm要求。电镀后，以水平切片确认提高钻速和落速对PI撕裂改善效果，但提高钻速产品仍然出现PI撕裂不良。综上所述，加快钻速、减少钻头与PI的加工接触时间不能改善PI撕裂不良，排除钻速过慢导致PI被拉裂的可能。3.3不同软板PI产品对PI撕裂的改善结果发生不良的原软板材料（A类PI）和其他软板材料（B类PI）制作软硬结合板产品，叠板数2块，以原UC钻头和原钻孔参数加工，加工后平磨水平切片，结果如图7所示。图5加工后不同钻头效果图6不同钻头加工后水平切片-41印制电路信息 2023 No.1挠性板与刚挠板 FPC and R-FPC由图 7可知，钻孔加工参数不变，使用 B类PI制作的软硬结合板产品未出现PI撕裂不良，而原 A 类 PI 制作的软硬结合板产品仍出现 PI 撕裂不良。综上所述，PI撕裂不良与软板材料性能相关，使用B类PI制作软硬结合板可改善钻孔PI撕裂不良情况。4分析与讨论4.1软硬结合板PI撕裂产生的机理软硬结合板钻孔过程主要是钻刀对材料切削，以及材料特性对切削影响相互作用的过程。软硬结合板PI撕裂产生原因从上述2方面分析。钻头进入材料时，钻头侧刃对材料切削和挤压，导致材料发生形变，但材料本身存在反作用力，阻止材料发生形变，如图8所示。软硬结合板中有 PI、FR4、半固化片和铜材料，钻孔后的FR4、半固化片及PI出现分层或撕裂的特性值为弹性模量和抗撕裂强度。各材料特征值见表4。在表 4 中，弹性模量为材料抗弹性变形力。弹性模量大的材料，其弹性变形小，而抗撕裂强度为撕裂薄膜试样所需的力。由表 4可知，A类 PI弹性模量值最小，在钻孔加工时，其材料弹性变形量比B类PI和FR4的材料大。A类PI材料发生形变时，其材料自身反作用力（抗撕裂强度）比B类PI和FR4的材料小，导致其在钻孔加工后容易出现撕裂不良情况。4.2A类PI与B类PI性能差异PI是主链含亚胺结构的聚合物统称。其中亚胺骨架在主链结构上的聚合物不仅合成困难且无实用性，但环状结构的聚酰亚胺实用性强，因此一般所说的PI是指环状PI，如图9所示。图7不同软板材料产品水平切片图8软硬结合板钻孔加工示意表4A类PI与B类PI性能参数表材料弹性模量/MPa抗撕裂强度/gA类PITD5.5、MD5.91 029B类PITD6.7、MD6.81 150FR4经向26.2、纬向23.8图9直链和环状聚酰亚胺分子结构-42印制电路信息 2023 No.1XXXX XXXX挠性板与刚挠板 FPC and R-FPCPI还可进一步分为由芳香族四羧酸和二胺为原料、通过缩聚反应得到的缩聚型PI，该种材料已被大规模商品化，应用广泛。其中，A类PI和B类PI的合成方法相同，但采用的芳香族四羧酸分子不一样，A 类、B 类 PI 的合成反应式如图 10所示。由图10可知，A类PI合成时使用了均苯四羧酐，B类PI合成时使用了联苯四羧酸二酐，两者的化学单体不一致，后者的分子量比前者大。横田力男2认为，PA合成单体分子量对最终得到的PI薄膜的拉伸特性（拉伸强度、断裂伸长和拉伸模量）有较大影响。因此，与A类PI相比，B类PI具有更高的抗撕裂强度。4.3试验验证使用B类PI软板板材制作试板，保持原叠层设计和钻孔生产参数，软板层不铺铜，孔径分别为0.2、0.3和0.4 mm，孔壁间距0.45 mm，孔限1 000，按原流程生产测试。电镀后，分别进行水平切片和垂直切片确认，结果如图11所示。由图11可知，试板中不同孔径的测试模块垂直图10A类、B类PI合成反应示意图11B类PI软板不同孔径切片-43印制电路信息 2023 No.1挠性板与刚挠板 FPC and R-FPC切片和水平切片均未出现PI撕裂不良，钻孔参数、钻头类型等生产条件均未变更，将软板材料更换为B类PI可改善软硬结合板PI撕裂不良。综上所述，软板材料性能对孔周边PI撕裂影响最大。使用抗撕裂强度小的A类PI制作软硬结合板，容易出现PI撕裂不良，说明增大材料抗撕裂强度可解决软硬结合板PI撕裂问题。5结论本文通过实验对比钻头、钻孔参数和不同软板材料对孔周边PI撕裂的影响，研究了软硬结合板孔周边PI撕裂问题，并得到如下结论：（1）A类PI使用均苯四羧酐与二胺合成，B类PI使用联苯四羧酐二酐与二胺合成，单体联苯四羧酐合成的 B 类 PI 分子量更大，其抗撕裂表现更佳；（