加热技术在半固化片裁切中的应用

李红利 裴同战 徐高勇

广东正业科技股份有限公司

1 引言

印制电路板用半固化片，主要由树脂和增强材料构成的一种片状预浸材料，其中树脂处于B阶段结构。在温度和压力作用下，具有可流动性并能很快的固化和完成粘结过程。它与增强材料一起构成绝缘层，是多层印制电路板制造中不可缺少的层压材料。随着多层板生产量迅速发展，半固化片的需求量也不断增加[1]。然而将半固化片按照规定的尺寸进行高质量的裁切目前仍然是一个难题。

目前国内半固化片的分切裁剪主要通过纯机械裁切设备进行，这种纯机械裁切的、工艺所产生的最大问题主要有两个：

（1）一是切口边缘会因为机械力的作用而发白分层，产生许多破碎的细小树脂和玻璃纤维粉尘；这些粉尘因为静电的作用漂浮在空气中，粘附在裁切设备上以及裁切好的半固化表面，不仅破坏工作环境，而且影响产品的质量；在下一工序附着铜箔时，由于异物混入，容易产生打痕等缺陷问题。尤其近年来随着线路的高密度化，防止切割粉尘所造成的异物混入的问题要求越来越严格。

（2）二是切口边缘处的玻璃布纤维易被扯出、散开，形成绒毛状物，导致切口边缘质量变差，直接影响半固化片的后序加工质量。

这些缺陷，严重影响了半固化片的分切裁剪质量，制约了我国高端PCB、CCL产品的品质和生产。随着PCB、CCL生产的精细化，对PCB、CCL产品质量的要求越来越高，对分切车间的清洁生产和环境以及操作人员的身体健康标准要求也大幅度提高。因此，迫切需要对传统的纯机械裁切方式进行改进与完善。

2 半固化片的分切方法

半固化片的分切主要通过经向分条和纬向分片两个动作完成。切割半固化片时，一般多采用圆盘滚刀或直刀进行经向分条，采用下刀上裁或上刀下裁的方法进行纬向分片。对于经向分条切切削刃将半固化片刺破，切割过程中，切点不动，牵引辊牵引半固化片向前移动，靠牵引力将半固化片纵向撕破从而分条；这种裁切方法不可避免的会出现玻璃纤维被扯断、树脂粉尘掉落等现象。

对于横向分片，无论是上刀下裁还是下刀上裁都是靠机械冲击的剪切力剪断半固化片，因为机械力的作用，刃口边缘的树脂破碎、产生树脂粉尘在所难免。

总之，传统的纯机械裁切方法在分切半固化片时不可避免的会带来粉尘污染以及后续产品的缺陷。传统的裁切效果如图1、图2所示：

图1 传统纵切裁切方法

图2 传统横切裁切方法

由图1、图2可知，采用传统的裁切方法，裁切刃口毛边较宽，而且随着刃口变钝，毛边会越来越宽。另外，切口发白现象比较严重，树脂粉末掉落较严重。这些都是多年来令业界工程师深感头痛的问题。

为了控制粉尘量及玻璃纤维的产生，国内外在半固化片分切的研究方面也在不断探索，研究出合适的用于裁切半固化片的方法已经迫在眉睫。目前世界上在减少粉尘及玻璃纤维脱落的分切方法上主要有不使用切割刀的非接触式切割方法，以及切割前加热使树脂软化的接触性接触裁切方法。

2.1 非接触性裁切

非接触式切割方式主要有：水射流、CO2激光、紫外激光，如表 1 所示条件进行切割实验[2]。

根据实验结果，图3所示为采用水射流方式进行切割的效果图，切割面有毛刺，切口不整齐。

表1 非接触式切割实验

图3 水射流方式切面效果

图4 CO2激光切割效果

CO2激光和紫外激光切割，通过激光切割，可以实现无粉尘产生的切割。但是激光切割时，如图4所示，由于玻璃纤维和树脂必须同时切断，需达到玻璃纤维的熔 点（约840 ℃）以上，这样就会造成熔点低的树脂炭化（炭化温度300 ℃）。图4所示为CO2切割样品的切割面效果图。从图中可以看出，虽然切割面的树脂熔化，切割面并未产生粉尘，但是切割面已经发黑、炭化，不能满足生产要求。

2.2 接触性裁切

为了控制半固化片裁切过程中粉尘的产生，在接触性裁切之前采用加热的方法将半固化片中的树脂软化，继而再快速进行裁切或者加热的同时进行裁切。以加热的方式来讲，其裁切机理都是通过控制加热温度软化切割部位的树脂，然后用切刀进行切割，达到对切口边缘自动封边，不会在切口边缘产生玻璃纤维布粉尘现象，无需后续处理，从而解决了裁切过程中和裁切后PCB/CCL半固化片边缘散开和裁切粉尘大的问题。

2.2.1 超声波切割

超声波切割的原理与传统意义上的切割原理完全不同，它是利用超声波的能量，将被切割材料的局部加热熔化，从而达到切割材料的目的，所以超声波切割不需要锋利的刃口，也不需要很大的压力，不会造成被切割材料的崩边、破损。

另外超声波切割还有一个很大的优点，就是它在切割的同时，在切割部位有熔合作用。切割部位被完美地封边，从而防止被切割材料组织的松散。

通过实验验证，采用手持式20 W振荡频率为39.5 kHz的超声波对对0.2 mm的半固化片进行切割实验，发现切割刃口平整，没有粉尘掉落， 没有发白变硬的现象，另外没有毛边，没有烧焦、锯齿等现象，封边效果良好，速度每分钟2米左右。显然这样的速度无法满足生产需求，如果要保证至少30 m/min的生产速度，且要达到刃口能够自动封边，就需要大大加大超声波发生器的功率，但是增大功率、消除粉尘的同时产生了噪音的污染以及刃口边缘发黑的现象。

2.2.2 红外加热与热吹风加热切割

红外加热是一种辐射加热。红外线的特点在于其光束的非色散性，当其发射时，能使能量高度集中；另外红外线又有很强的穿透能力，短波辐射能够穿透一些固体材料，加热均匀。红外辐射器发出的红外光被材料以分子（原子）共振的形式吸收，从而达到对物体进行加热的目的。这种辐射加热方式以匹配的波长、选择性的穿透能力，定向而直接地对物体表面及一定的深度进行加热，是非常高效的加热方式，近年来红外加热方式被越来越多的应用到食品加工、现代纺织、汽车制造等等工业领域。

红外加热与传统热风加热最大的区别是，红外线有很强的穿透性，可同时被半固化片表面的树脂和内部的玻璃纤维吸收，从内到外或同步地加热；传统热风加热只是从半固化片表面加热，逐步向内热传导[3]。而红外波长越短，穿透力越强，加热速度越快。短波红外加热采用钨丝灯管，热容量低，设备启动后，能在毫秒级时间内达到80%的能量输出，几秒钟内达到100%的能量输出，具有很高的热响应速度，确保了系统的即开即用、即关即停，避免能量的无效投入。传统的热风加热系统，热响应时间则更长，且机组短时停机时，传统加热各级系统通常要持续运行，浪费能源。

红外加热方式与传统的传热方式不同，可沿着放射方向直接投射给对象物，对象物受到直热后，产生共鸣吸收。鉴于不同的物质都有特定的吸收光谱，为提高热效率，必须使红外线辐射加热器的辐射波长与被加热材料的吸收波长范围一致。为此，首先必须寻找被加热材料的有效吸收波长，再为之匹配最适合的红外辐射器。

表2 不同温度下红外辐射光波波长和辐射功率

3 实验研究

3.1 红外加热后裁切与纯机械裁切对比

根据半固化片自身的特性，通过多种加热方法的对比，在半固化片分切方面采用红外加热技术，通过控制红外辐射器的功率密度来调节红外光波波长，继而通过精确控制加热时间，使半固化片中的树脂在极短的时间内达到软化温度但是尚未达到玻璃纤维布得燃烧温度的条件下进行裁切，达到对切口边缘封边的目的，从而达到消除传统半固化片分切过程中产生的粉尘、玻璃纤维丝等现象。

图5 传统冷切的纵切裁切效果

图6 红外加热纵切裁切效果

通过图5、图6裁切对比可以看出，传统冷切纵切裁切时，粉尘掉落严重，毛边宽度较宽，达到2 mm；而采用红外加热后的纵切效果非常良好，几乎没有明显粉尘掉落，毛边宽度≤0.5 mm。

图7 传统冷切横切裁切效果

图8 红外加热横切裁切效果

由图7、图8看出传统冷切的横切效果，从显微镜下观察到：采用传统纯机械裁切的横切的刃口发白现象比较明显，毛边较宽，而采用红外加热后横切的效果非常良好，刃口整齐，显微镜下观察也没有发白、掉粉、玻璃纤维现象，刃口非常正切平整。

根据以上实验结果， 可以看出相对传统的裁切方式而言，采用红外加热后再裁切的方法可以有效减少粉尘及玻璃丝脱落的现象。可以明白：

（1）作为加热切割方式的加热源，红外加热有效（切割时，几乎不产生粉尘、且能自动封边，减少后续工序）

（2）切割效果与红外辐射器的功率密度有直接的关系。要保证切割边缘不掉粉尘、能够自动封边且不固化，红外辐射器发射的红外光波长是个关键。

3.2 凝胶化时间测试

凝胶化时间指树脂在加热情况下，处于液态流动的总时间。凝胶时间一般为140 s ～ 190 s。凝胶时间长，树脂有充分时间来润湿图形，并能有效地填满图形，是衡量半固化片固化程度的一个主要指标，同时也有利于压制参数的控制。红外加热后进行裁切的这种方法是否真的有效，我们必须通过凝胶化时间测试或者层压实验来验证， 如果时间在合格材料的凝胶化时间标准范围之内，说明此加热方法有效。

采用2116半固化片，以30 m/min的速度卷料，用红外加热的方法分切半固化片，连雪分切30片，用剪刀将刃口处1.5 mm以内的半固化片剪掉，揉出粉末，用筛网过滤掉玻璃纤维碎屑，按照正确凝胶化时间测试方法的标准进行凝胶化时间测试。测试结果如表3～表4。

下述加热前后凝胶化时间测试对比表明，加热后再进行裁切，凝胶化时间略微有所改变，但是仍然在合格范围之内，说明此种裁切方法有效。

图9 取刃口边缘出1.5 mm实验

表3 2116红外动态加热纵切实验（v=30m/min）

表4 2116为加热区域半固化片（v=30m/min）

4 结论

本文论述加热技术在半固化片裁切中的应用，主要对比了激光、热吹风、超声波、红外加热以及水射流等切割方法在半固化片裁切工艺中的应用；并通过种种实验现象以及性能测试论证了红外加热的裁切方法有效可行，改善半固化片切割过程中产生的粉尘以及玻璃纤维污染，提高了半固化片切割的质量以及产品良率，同时节约了能源，提高了工人工作环境的质量。

[1]祝大同.基材—覆铜箔板技术基础[J].技术基础知识讲座,©1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.

[2]加地良行, 大口哲哉.草田晃司.通过CO2激光加热切割半固化片的方法[J].松下电工技报,2002,8.

[3]生意社.短波红外加热技术在连续板钢生产线上的应用[EB/OL].http://www.toopainting.com/20090317.

[4]辰光.半固化片的基础知识[J].印制电路信息,2004,9:23～25.