用于机械加工的垫板的制作方法

专利名称：用于机械加工的垫板的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于诸如刨削、自动截锯和钻制印刷电路板的机械成形加工的垫板(backup board)。
背景技术：
在钻制和/或刨削印刷电路板(PCB)时，利用垫板通过以下方式来支承PCB，即通过将所述垫板施加在所述PCB的背侧，或者通过用所述垫板夹住所述PCB。通过使用垫板，可以防止在钻制/或刨削加工的过程中PCB的铜膜(铜箔)产生毛刺。
传统地，垫板是用于建筑目的的木质板，例如木屑板。然而，近来在加工PCB的过程中需要更高的精度，并且甚至需要更多地减少在铜膜上产生的毛刺。
因此，为了减少铜膜上出现的毛刺，垫板表面必须是更加坚硬和光滑的。通过在加热和加压的条件下加工一堆特定厚度的树脂片(prepreg)而制成的层叠的树脂板可以用于此目的，这是由于其坚硬和光滑的表面特性，树脂片通过用诸如酚醛树脂的热固树脂浸渍纸张而制成(见日本特开平08-118296号公报)。
然而，层叠的树脂板由于其大约1.4的比重的沉重重量而具有较差的加工性。此外，由于层叠的树脂板的整体硬度，所以钻制和/或刨削的刀头将容易产生破损。与使用层叠的树脂板有关的另一个问题是纸基的树脂板由于例如由吸收水汽所造成的尺寸变化可容易地产生卷曲。在垫板以这种方式产生卷曲之后，其无法准确支承PCB，因而无法将毛刺的级别保持在可允许的限度之下。

发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种用在机械加工中的垫板，其具有较轻重量以及改进的加工性，并且使得机械加工工具的刀头更少磨损而不牺牲其作为毛刺保持件的功能。
根据本发明，设有用于机械加工的垫板，其包括纤维层，所述纤维层的至少一侧上粘附和层叠有一表面层，其中所述表面层是由浸渍有热固树脂的硬化的纤维片材(纸张)制成，所述纤维层具有大约600至900kg/m3的密度，并且包括麻纤维，其中通过将热固粘合剂浸渍在麻纤维的纤维垫中而将所述麻纤维粘附在一起，所述麻纤维具有大约10至200mm的平均长度以及大约10至300μm的平均直径。
根据本发明的用在机械加工中的垫板包括轻重量的纤维层的芯体，所述纤维层具有600至900kg/m3的密度；以及坚硬和光滑表面的表面叠层，其具有很大减少材料重量、改进的加工性以及减少机械加工工具的刀头的磨损的优点。而且，由于包含麻纤维的纤维层在吸收水分时尺寸是稳定的，所以在垫板中很少产生卷曲，因而在机械加工过程中为PCB提供了稳固的支承。


结合附图通过对优选实施例的说明，将清楚本发明的上述和其它目的和特征，其中图1示出了本发明优选实施例的一个方面的剖视图；图2A示出了麻纤维的示意性剖视图；图2B提供了麻纤维的示意性剖视图，示出了浸渍在麻纤维内的酚醛树脂单体；图2C提供了麻纤维的示意性剖视图，示出了附着在麻纤维上的酚醛树脂单体；图3示出了酚醛树脂根据其分子量的分布；图4A示出了在钻制之后检测的板的剖视图；并且图4B示出了在钻制之后的板的等比例前视图。
具体实施例方式
现在将参看图1至4B说明本发明的优选实施例。
优选通过利用热固粘合剂将纤维化的麻(一年生植物，锦葵科)粘合在一起而制备纤维层11，其被用作为使用在根据本发明的机械加工中的垫板中的芯体。
通过机械方式纤维化处理由麻杆的韧皮(外皮)而得到的长纤维束(宽度大约1至2cm；长度大约2至4cm)而产生麻纤维。麻纤维被纤维化直至它们的平均长度达到优选大约10至200mm的长度，更加优选为大约15至80mm，并且它们的平均直径达到优选大约10至300μm的尺寸，更加优选为大约70至150μm。这些被纤维化的麻纤维被用于生产纤维层11。图2A示出了麻纤维1的示意性显微剖视图。具有大约10至30μm直径的多个单纤维2被捆束在一起以构成所述单个纤维1，每个单纤维2包括围绕中心的格壁3以在其中形成导管4。附图标记5代表了纤维表面。
如果麻纤维的平均长度在以上指定的优选范围以下，则与在最终的纤维层11中期望的密实性相比，麻纤维可能具有更少的完整性。在另一方面，如果麻纤维的平均长度在优选的范围以上，则麻纤维可能形成不规则结构的纤维垫(在以下说明)，在加热和加压的条件下进行加工处理时，其可以在纤维层11中产生不均匀的密度分布，并且导致瑕疵点。如果麻纤维的平均直径在上述指定的优选范围以下，则在纤维层11受潮时其尺寸稳定性受到干扰，这是因为麻纤维之间的减小的空间将降低渗透性，尽管纤维层11可以由于增加的接触点而导致的麻纤维之间的增加的缠结而变得更结实。在另一方面，如果麻纤维的平均直径在优选的范围以上，则诸如油棕纤维的麻纤维变得太厚而不能构成合适强度的纤维层11，甚至尽管其尺寸稳定性可得到确保而具有高渗透性。
在用热固粘合剂浸渍由麻纤维制成的纤维垫之后，硬化加工完成纤维层11的生产。特定生产步骤的说明如下所述。首先，纤维化的麻纤维被堆叠起来。接着，按照需要在堆叠的纤维化的麻纤维上进行针式冲压以将它们卷成纤维垫。可在本发明中采用的热固粘合剂可选自酚醛树脂胶、尿素树脂胶、蜜胺树脂胶和蜜胺-尿素共缩聚树脂胶(melamine-ureacocondensed resin adhesive)；然而，并不限于此。
接着，如此制备的纤维垫被挤压进入挤压辊中之前，其中热固粘合剂物质调节至特定的级别，被浸泡在热固粘合剂中以进行浸渍。优选的是，热固粘合剂的量被调节至在干燥的条件下的纤维垫的大约20至30重量％的范围。在与热固树脂浸渍之前，纤维垫可以被干燥至这样的状态点，即其含水量是大约25重量％或更少。纤维垫不必被干燥成使得含水量在5重量％以下；然而，对于最小含水量没有特定的限制。如果在浸渍步骤之前被干燥，则在纤维垫中的麻纤维将更加适合树脂成分浸透，这将确保最终的纤维层11中的尺寸稳定性。
在浸渍步骤之后，纤维垫被干燥，直至其含水量被降低至特定的级别。通过将热的或室温空气吹至纤维垫或通过将纤维垫安放在炉子中而进行干燥。优选的是，纤维垫的含水量降低至大约15重量％或更少。接着，纤维垫中的热固粘合剂在加热和加压的条件下被硬化以形成纤维层11。优选在大约120℃至190℃的温度以及在大约1至4MPa的压力的条件下进行硬化。根据板的厚度和加热温度调节硬化时间。
在本发明中，纤维层11的密度优选是大约600至900kg/m3并且更加优选为大约700至850kg/m3。为了控制密度，调节纤维垫的面重量(areal weight)或者调节使用在纤维层11中的热固粘合剂的量。如果纤维层11的密度在优选的范围以下，则麻纤维可产生比最终的纤维层11中期望的密实性更少的缠结。这种纤维层11将太不牢固而不能用作为垫板的芯体。在另一方面，如果纤维层11的密度在优选的范围以上，则最终的垫板变得太沉重以至于失去改进的加工性的优点，尽管纤维层11可以变得更密实，在麻纤维之间具有减小的空间以及增加的缠结。
纤维层11的厚度优选为大约1.0至1.5mm。如果纤维层11的厚度小于1.0mm，则纤维层11的强度可能不足以用作垫板的芯体。在另一方面，如果纤维层11的厚度大于1.5mm，则最终的垫板变得太沉重以至于失去改进的可加工性的优点。
在本发明中，麻纤维的长度的标准偏差优选是大约20mm或更小，并且直径的标准偏差优选是大约50μm或更小。如果每个麻纤维的长度或直径在宽范围内变化，则至此所说明的本发明的特征不可能是稳固的。然而，如果麻纤维的尺寸得到控制，从而长度的标准偏差是大约20mm或更小并且直径的标准偏差是大约50μm或更小，则可以容易获得具有恒定特征的纤维层11。无需说的是，麻纤维的长度和直径的标准偏差越小，则最终制品将越是期望的。
在本发明中，用于粘接麻纤维的热固粘合剂可以是上述粘合剂中的一种，但优选是，酚醛树脂胶。更加优选的是，可溶型酚醛树脂胶被用作热固粘合剂以粘接麻纤维。可以通过以下步骤制备可溶型酚醛树脂胶。首先，蒸馏的苯酚、甲醛水溶液以及碱催化剂在它们被放入反应容器之前被称重。在放入反应容器之后，其中所述反应容器在油浴中加热，这些反应物被搅拌以便进行反应，在这之后，适量的硫酸被加至这些反应物以调整酸度并且中和过量的碱催化剂以进行沉淀。接着，使用抽风器减压反应容器以通过真空的方式从反应物中抽去蒸发水分，同时留下具有大约50重量％的非挥发性成分(树脂成分)的酚醛树脂水溶液。以这种方式制备的酚醛树脂水溶液被用作本发明的粘合剂。
碱催化剂可选择以下组分氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钡、氨以及胺。大体上，反应温度是大约60℃至95℃，并且反应时间是从几十分钟至大约2小时。可溶型酚醛树脂是单体同聚合物；单体同用于诸如苯酚、单甲基苯酚、双甲基苯酚、三甲基苯酚的聚合物的重复单元的混合物。因此，酚醛树脂包括具有大约90至200分子量的单体以及具有大约180至2000分子量的聚合物。图3示出了酚醛树脂的分子量分布。如前所述，酚醛树脂的分子量分布可以任意控制。通过改变反应条件、苯酚与醛之间的摩尔数比、碱催化剂或碱催化剂的量可以得到不同分子量和粘性的酚醛树脂。
在本发明中，酚醛树脂胶中的树脂成分优选具有大约400至700的平均分子量，并且包括大约10至40重量％的、大约90至200分子量的单体以及大约60至90重量％的、大约180至2000分子量的聚合物。(单体和聚合物的重量％加在一起为100重量％。)由于单体的小尺寸，所以单体可容易地渗入麻纤维1的内部。如图2B所示，可以看出单体(m)渗入麻纤维1的内部，而聚合物(p)由于它们的较大尺寸，几乎无法渗入，并且聚合物本身附着在麻纤维1的外侧表面上。因此，酚醛树脂单体在硬化加工的过程中在麻纤维1的内部被硬化。即便要的话，在麻纤维1内硬化的酚醛树脂单体在纤维层11吸收水分时防止水分渗入麻纤维1的内部。因此，麻纤维1的膨胀和卷绕被切割成最小化，并且纤维层11的尺寸稳定性可以得到保持。聚合物硬化在麻纤维1的外侧表面上以将麻纤维连接一起，因而增加纤维层11的剥离强度。通过这些步骤，可以得到高剥离强度和优异尺寸稳定性的纤维层11。
如果在酚醛树脂中单体的量在10重量％以下并且聚合物占据大于90重量％，则渗入麻纤维1的内部的树脂的量将小到尺寸稳定性可受到改变。在另一方面，如果在酚醛树脂中单体的量超过40重量％并且聚合物的量小于60重量％，则附着在麻纤维1的外侧表面上的树脂的量小到最终的纤维层11缺少足够的剥离强度。同样，如果酚醛树脂的平均分子量小于400，则附着在麻纤维1的外侧表面上的树脂的量小到最终的纤维层11缺少足够的剥离强度。在另一方面，如果酚醛树脂的平均分子量大于700，则渗入麻纤维1的内部的树脂的量小到将失去尺寸稳定性的优点。因此，为了实现尺寸稳定性以及高剥离强度这两个目的，优选的是，单体以及聚合物之间的重量％分布，和酚醛树脂的平均分子量将被控制在上述优选的范围中。
如图1所示，通过用表面层12粘附并层叠在纤维层11的至少一侧上而制备根据本发明的用在机械加工中的垫板。可以通过以下步骤制备表面层12。首先，纸张用热固树脂浸渍并且干燥成树脂片。接着，在加热和加压的条件下将树脂片硬化成表面层12。
可应用在本发明中的热固树脂可以是大体用作现有技术领域中的层板的树脂，例如酚醛树脂和三聚氰胺树脂，但不限于此。热固树脂漆被浸渍进入纸张。通过加热和干燥，浸渍的纸张被半硬化成B-阶树脂纸(树脂片)。浸渍在树脂纸中的热固树脂的量优选是树脂纸的大约40至60重量％。
为了将表面层12粘附和层叠在纤维层11上，纤维层11以上述相同的方式制备。接着，树脂纸在加热和加压条件下处理之前被放在纤维层11的至少一侧上。在经受加热和加压之后，在树脂纸中的热固树脂被硬化以产生表面层12，与此同时，表面层12被粘附和层叠在纤维层11上。
还可以以下述不同的方式实现层叠。首先，以与前述相同的方式用热固粘合剂浸渍纤维垫。在浸渍的纤维垫被干燥之后，在树脂纸和干燥的浸渍纤维垫在加热和加压的条件下被处理之前，树脂纸被放在干燥的浸渍纤维垫的至少一侧上。在经受加热和加压之后，树脂纸中的热固树脂以及浸渍的纤维垫中的热固粘合剂被硬化以分别形成表面层12和纤维层11。与此同时，表面层12和纤维层11被彼此相互粘合在一起。用于生产表面层12的硬化状态依据所使用的热固树脂的类型以及其他因素而变化。然而，大体上，优选的是，在大约120℃至190℃的温度、在大约1至4MPa的压力、并且在大约0.5至5分钟的硬化时间的条件下完成硬化。
在将表面层12粘附和层叠在纤维层11的表面上之后，表面层12的密度优选保持在大约1000至1500kg/m3(比重大约1.0至1.5)。如果表面层12的密度小于1000kg/m3，则表面层12的硬度可降低，并且其无法正常用作毛刺保持件。在另一方面，如果表面层12的密度大于1500kg/m3，则最终的垫板变得太重以至于失去改进的加工性的优点。此外，表面层12的高密度可造成诸如钻头和刨削头的机械加工工具的刀头的磨损。
表面层12优选具有大约0.05至0.3mm的厚度。如果表面层12的厚度小于0.05mm，则表面层12的硬度不可足以用作毛刺保持件。在另一方面，如果表面层12的厚度大于0.3mm，则最终的垫板变得太沉重以至于失去改进的加工性的优点。此外，厚的表面层12可造成诸如钻头和刨削头的机械加工工具的刀头的增加的磨损。
同样，如前所述，优选的是，通过调节树脂纸中的热固树脂量，表面层12被控制成具有大约40至60重量％的树脂。如果表面层12中的树脂量小于40重量％，则表面层12的硬度可降低并且可出现毛刺。在另一方面，如果表面层12中的树脂量超过60重量％，则最终的垫板变得太沉重以至于可失去改进的加工性的优点。此外，在表面层12中的高树脂量可造成诸如钻头和刨削头的机械加工工具的刀头的增加的磨损。
根据上述步骤所制备的本发明的垫板用于通过以下方式支承PCB，即通过将其施加至PCB的背侧或通过将PCB夹在垫板之间。利用表面层12的坚硬以及光滑表面，本发明的垫板可以在钻制和/或刨削加工过程中支承PCB，并且防止铜膜产生毛刺。另外，根据本发明的垫板包括轻比重的纤维层11的芯体，所述纤维层具有大约600至900kg/m3的密度(比重0.6至0.9)，从而限制表面层12的硬度和平整度，因而减少总材料重量并且改进加工性。而且，即使加工工具的钻制刀头和/或刨削刀头切入垫板，由于表面层12的硬化的树脂的坚硬表面限于表面区域；并且芯体由用麻纤维制成的软纤维层11形成，所以可减小加工工具的磨损。此外，由于纤维层11在吸收水分时是尺寸稳定的，所以很少出现板中的卷曲。这确保了在机械加工过程中PCB的稳固支承，因而减少了毛刺的出现。
通过以下实施例而不限于其范围进一步说明本发明的具体方面。
实施例由麻杆的韧皮而得到的长纤维束(宽度大约1至2cm；长度大约2至4cm)通过机械方式被纤维化，直至麻纤维的平均长度和平均直径分别达到大约25mm和大约100μm。(纤维长度的标准偏差是大约16mm，而纤维直径的标准偏差是大约41μm。)然后，这些麻纤维被堆叠和针式冲压成纤维垫。在浸泡在酚醛树脂胶中之后，该纤维垫挤压通过一挤压辊，从而酚醛树脂胶的量被调整成大约25重量％。在该实施例中所使用的酚醛树脂胶是可溶型酚醛树脂胶(树脂成分量50重量％；pH9.0；自由苯酚量1.4重量％；自由甲醛量0.06重量％)，其具有大约584的平均分子量，包括大约90至200的分子量的单体以及大约180至2000的分子量的聚合物，单体与聚合物的重量比是大约30∶70。
此后，包含酚醛树脂胶的纤维垫在大约80℃被干燥直至其水分被降至大约10重量％。然后，该纤维垫在加热和加压的条件下被加工处理；加工状态是170℃、3MPa和4分钟的加工时间，以获得大约1.1mm厚的麻纤维层11。纤维层11的密度是大约800kg/m3。
同时，具有大约110g/m2的面比重的纸张被用如上所述相同的酚醛树脂浸渍，而这是在其在大约80℃干燥大约5分钟以得到具有50重量％的树脂浸渍物的树脂纸之前完成的。
接着，树脂纸件的连接件被施加至上述纤维层11，而所述纤维层11安置在树脂纸件之间，这是在它们在加热和加压的条件下被加工处理之前完成的。加工处理状态是165℃、3MPa以及3分钟的处理时间，因而表面层12被粘附和层叠在纤维层11的两侧上以形成垫板10。表面层12的厚度是大约0.2mm，并且具有大约1300kg/m3的密度。树脂量等于表面层的大约50重量％。垫板10的整体密度是大约960kg/m3。
利用该垫板10，浸酚醛树脂的纸的1.6mm厚的覆铜箔层压板6被钻制。如图4A所示，三层覆铜箔层压板6被堆在垫板10上，并且在用钻头(STX-33)钻制它们之前，0.15μm厚的铝箔7放在它们之上，其中所述钻头具有0.5mm的直径以及8.5mm的长度。铝箔7和三层覆铜箔层压板6被穿透直至钻头端部到达垫板10内部，而同时在三层覆铜箔层压板6中形成孔8。以67000rpm的转速和2000mm/min的输送速度，它们在以下两个步骤中被钻制。在第一步骤中；钻制等于一个半层覆铜箔层压板6的深度。接着，在第二步骤中，钻制等于一个半层覆铜箔层压板6的另一个深度。如图4B所示，以大约2mm的间距钻制10000个孔8。
作为对比例，由NIHON DECOLUXE有限公司制成的SBT-K(厚度1.5mm；密度1400kg/m3)被用作垫板，并且重复实施例中的上述步骤以钻制浸酚醛树脂的纸张的覆铜箔层压板6。
在10000个孔8被钻制之后，钻头的边缘与钻制之前进行比较以测量钻头的磨损程度。结果示于表1中。
表1

如表1所示，通过使用本发明的垫板，可以显著减少钻头磨损。而且，在实施例中所使用的垫板由于其大约960kg/m3的密度(比重大约1)，所以比对比例中所使用的轻30％，而在所述对比例中所使用的垫板的密度为大约1400kg/m3的密度(比重大约1.4)。因此，本发明的垫板具有改进的加工性。
此外，设定用于实施例和对比例的上述步骤被重复以利用实施例和对比例中的垫板钻制浸环氧树脂玻璃的覆铜箔层压板6。在10000个孔8被钻制之后，钻头的边缘与钻制之前进行比较以测量钻头磨损的程度。对于第3000个孔8，测量铜膜上的毛刺。结果示于表2中。
表2

如表2所示，通过使用本发明的垫板，明显减少钻头磨损以及毛刺。
尽管已经参看优选实施例示出并说明了本发明，但是应该理解的是，在不脱离由权利要求书所限定的本发明的精神和范围的前提下，本领域技术人员可以进行各种不同的改变和改型。
权利要求
1.一种用于机械加工中的垫板，其包括纤维层，所述纤维层的至少一侧上粘附和层叠有一表面层，其中，所述表面层是由浸渍有热固树脂的硬化纤维片材制成；并且所述纤维层具有大约600至900kg/m3的密度，并且包括麻纤维，其中通过将热固粘合剂浸渍在麻纤维的纤维垫中而将所述麻纤维粘附在一起，所述麻纤维具有大约10至200mm的平均长度以及大约10至300μm的平均直径。
2.根据权利要求1所述的垫板，其特征在于，所述表面层的密度是大约1000至1500kg/m3。
3.根据权利要求1或2所述的垫板，其特征在于，所述表面层具有大约0.05至0.3mm的厚度。
4.根据权利要求1至3任一所述的垫板，其特征在于，所述热固树脂占据所述表面层的大约40至60重量％。
5.根据权利要求1至4任一所述的垫板，其特征在于，所述热固粘合剂是酚醛树脂胶，其具有大约400至700的平均分子量，并且包含大约10至40重量％的单体，其具有大约90至200的分子量；以及大约60至90重量％的聚合物，其具有大约180至2000的分子量。
6.根据权利要求1至5任一所述的垫板，其特征在于，所述麻纤维的平均长度和平均直径分别是大约15至80mm以及大约70至150μm。
7.根据权利要求1至6任一所述的垫板，其特征在于，所述纤维层的密度是大约700至850kg/m3。
全文摘要
公开了一种用于机械加工中的垫板，其包括纤维层，所述纤维层的至少一侧上粘附并层叠有表面层，其中所述表面层是由浸渍有热固树脂的硬化的纤维片材制成。所述纤维层具有大约600至900kg/m
文档编号D04H1/587GK1906981SQ200480040714
公开日2007年1月31日 申请日期2004年11月3日 优先权日2004年2月5日
发明者梅冈一哲, 藤冈透, 安藤秀行, 奥平有三 申请人:松下电工株式会社