TWI419750B - 一種複合用途之鑽孔輔助板 - Google Patents

Description

一種複合用途之鑽孔輔助板

針對印刷電路板(Printed Circuit)之鑽孔或高轉速撈成型製程用潤滑輔助板，本發明不用傳統的有機底塗(或俗稱底膠，primer)，而是利用表面化學或電化學處理方式，使鋁金屬表面形成一氧化層，作為鋁金屬基材板與潤滑層之介面，以形成所需求的接著性能。經處理之金屬基材奈米孔氧化層表面，具有挾持鑽針免於鑽針頭滑動移位，達到提升鑽孔精度的作用。由於潤滑劑與鋁板之間，無熱固性膠料之底塗層，因此，不會因高速摩擦導致底塗燒焦而髒汙鑽針，或在孔壁殘留無法溶解之膠料的情形。

經過本發明之表面氧化處理後之鋁板，表面硬度與金屬剛性提高，不易摺曲變形；做為鑽孔用底板時，可大幅降低鑽針孔出口面毛刺之產生。隨後在氧化層上塗佈水溶熱熔性潤滑層，可有效降低鑽針刀尖之磨擦熱與磨耗，延長鑽針壽命。

因此本發明技術可同時適用於作為輔助高速鑽孔用蓋板與墊板。

軟式印刷電路板(Flexible Printed Circuit，FPC，俗稱軟板)，主要由高分子膜與一面或雙面金屬銅箔所組成，中間一般以聚亞醯銨(Polyimide)黏著。

軟式印刷電路板，具有柔軟、輕、薄及可彎曲之優點，已被廣泛應用於可攜帶式之電子產品，如手機、手提電腦及數位相機等。但在軟式印刷電路板之鑽孔製程上，若使用傳統鋁蓋板，由於剛性不足，會有不易與待鑽軟板緊密疊合，以致發生斷針的情形。

硬式印刷電路板(1)的材料，傳統為環氧樹脂板或酚醛樹脂板，然而高階材料之趨勢為無鹵素板、高玻璃轉化溫度雙馬來醯亞胺-三氮雜苯樹脂(Bismaleimide-Triazine resin，BT)板等；此類新材料均有硬度高，不易鑽孔的問題。加上鑽孔孔徑越來越小，0.15毫米以下孔徑常面臨鑽孔精度不足、孔壁粗糙、斷針等問題。針對用於厚銅線路電路板、金屬、玻璃板等之加工，除鑽孔加工之外，高轉速撈成型製程，也常有加工不易與撈針磨耗嚴重的問題。因此，這些加工程序上，通常會使用塗佈有潤滑功能的高分子潤滑劑輔助蓋板，以改善上述之問題。

印刷電路板之鑽孔製程，如第1圖所示，在印刷電路板(1)之上方加上鑽孔輔助蓋板，其為一金屬基材(2)與一潤滑層(3)，以利鑽孔時產生之高熱藉由金屬基材散去；在印刷電路板(1)之下方加上鑽孔輔助墊板(4)，以防止出孔口性毛頭(Exit Burr)的產生；潤滑劑協助降低鑽針(5)磨損。

使用蓋板進料板(Entry Board)，有幾個重要的目的：

1.　減少鑽針進出電路板所造成銅箔面的毛頭

2.　減少鑽針搖擺，使鑽尖容易定位

3.　防止壓力腳在基材銅面上的壓傷或壓痕

4.　協助排屑與鑽針散熱

5.　減少鑽針的磨耗(Wear)或斷裂(Breakage)

所以選擇蓋板的重要條件如下：

1.有一定的剛性，防止鑽孔時蓋板上下寸動

2.面對鑽針面有一定彈性，當鑽針鑽下接觸的瞬間能立即下凹，使鑽頭精確地對準待鑽孔的位置，確保孔位精度

3.本身要平滑、平坦不彎翹、表面不可有針孔刮傷

4.導熱系數大，能迅速將鑽孔時產生的熱量帶走，降低鑽孔溫度

5.面對堅硬的電路板面，可以防止銅箔面毛頭

中華民國發明專利566064中揭露，以底塗加面塗方式來製作鑽孔用上蓋板(或稱輔助蓋板)，其中之底塗是熱固性膠。但若無底塗層或底塗層太薄，則無法使其上面的潤滑劑有效的與基材接著，而無法達到鑽孔輔助蓋板的潤滑與定位之功能。但熱固性膠作為底塗層往往會有鑽針髒汙之問題，因此厚度要被限制，才不會黏附於鑽針溝槽中，影響其切削能力造成鑽孔不良。

有關潤滑層方面，中華民國公開號200806099發明專利申請案中揭露，以加入異丙醇方式來克服樹脂層內殘留氣泡問題及表面不平問題。

要有良好鑽孔結果，除上蓋板外，下墊板的功能也非常重要。墊板是放在待鑽電路板的g下層，是鑽針衝程的終點。其功用有：

1.防止出孔口性毛頭(Exit Burr)

2.降低鑽針溫度，減少鑽針的磨損與斷針

3.保護鑽機之檯面

鑽孔用墊板目前通用的材料有木漿板、酚醛樹脂板或複合板等材料，木漿板或複合板其製造法以木屑為基礎，再混合黏著劑，高溫高壓下壓合硬化成為一平整的板子。由於傳統墊板通常硬度不足，在高轉速小孔徑鑽孔時，無法有效控制出口毛邊的程度。酚醛樹脂板則是以酚醛樹脂和牛皮紙混壓的板子，一般硬度較木漿板、複合材料高許多，多使用於較小孔徑的鑽孔，可有效防止出口毛邊，但缺點是有造成鑽針過度磨耗與使用後環境污染的問題。

目前常用的鑽孔輔助蓋板，是將潤滑劑塗覆於金屬板或有機塑料基板上，基板厚度一般為50微米至500微米。當厚度小於50微米時，被鑽孔物或撈成型物易形成毛刺的問題；反之，當厚度超過500微米，則有鑽屑難以排除的問題。一般而言，輔助蓋板的支撐板材越薄對鑽針磨耗少，有利於排屑，可避免斷針發生。但是被塗覆的基材太薄則蓋板剛性不足，鑽針進出時會拉扯輔助蓋板，而造成鑽孔精度不佳的問題。

以目前業界的製作水準，構裝載板之鑽孔的孔徑，一般仍以0.25毫米孔徑的使用率g高。但是隨著機械設備的成熟及輕薄短小的電子電路需求，0.2毫米孔徑的加工方式也逐漸普及；運用於一些連線密度特別高，及基板厚度較低的設計上，甚至有小於0.10毫米的鑽孔設計。

為了避免鑽孔用蓋板之潤滑劑與基材間接著不良，導致潤滑劑於儲存、運送或使用過程中產生撥離的情形，蓋板會先上底塗增加金屬基材之附著性，然後在上潤滑劑；一般而言，底塗是熱固性膠。

本發明的主要目的在於，克服現有鑽孔用輔助蓋板中，因熱固性膠的底塗所造成鑽針髒汙及使用後金屬基板回收不易的缺陷。為提供一種無熱固性膠為底塗之鑽孔用輔助蓋板，所要解决的技術問題是改善潤滑層與金屬基材間之接著能力，並提高金屬表面對鑽針之夾持能力，進而提高鑽孔精度。

本發明不用有機膠料為底塗，而是將金屬基材板的單面或雙面進行表面處理，使表面形成極細微的奈米孔表面微結構的氧化層。該奈米孔表面微結構的氧化層可增進潤滑劑與金屬板之介面黏著性，使潤滑劑與金屬基材接著不剝離，並可隨著鑽針進入孔洞中，達到充分潤滑鑽針表面之效果。奈米孔表面微結構的氧化層，提升表面硬度，亦可達到鑽針夾持與定位之效果，避免鑽針移位，提升所鑽孔洞之位置準確度。

第2圖所示，本發明提出一種複合用途之鑽孔用輔助板，其包含一具表面處理之金屬鋁板為基材(2)及一水溶性固態潤滑層(3)；經表面處理之金屬基材的表面為奈米孔氧化層(6)，其厚度大於0.5微米；鉛筆硬度大於3H。用穿透式電子顯微鏡，觀察前述氧化處理後之表面奈米孔氧化層，根據其影像量測孔洞之尺寸，平均孔洞直徑介於5奈米至15奈米之間，氧化層之厚度介於0.5微米和3微米之間。由掃描式電子顯微鏡觀察形成之表面奈米孔氧化層，每1微米有100至1000個洞。

本發明提出另一種複合用途之鑽孔用輔助板，如第3圖所示，其包含一具雙面表面處理之金屬鋁板為基材(2)、經表面處理之金屬基材表面形成奈米孔氧化層(6)、及其一側有水溶性固態潤滑層(3)。鑽針(5)由潤滑面進入，穿過另一面奈米孔氧化層(6)，進入印刷電路板(1)；接觸印刷電路板(1)面之奈米孔氧化層(6)，由於硬度比無處理之金屬基材高，因此可防止鑽針(5)退出時產生毛頭。

本發明提出另一種複合用途之鑽孔用輔助板，如第4圖所示，其包含一具雙面表面處理之金屬鋁板為基材(2)、經表面處理之奈米孔氧化層(6)，及在其兩側皆有水溶性固態潤滑層(3)。鑽針(5)可以由雙面潤滑之蓋板得到充分的潤滑。

在鋁或其它合金的表面進行處理之目的，即利用其可氧化之特性，藉化學或電化學方法控制氧化層之生成，同時增加表面的機械性質。

陽極處理之原理係於電解槽中，將金屬(如鋁或鋁合金)板置於陽極，輔以適當電解液施加一定電壓或電流，促使金屬表面形成附著良好的氧化層，並進一步控制所形成氧化層的厚度與硬度。

本發明由於不具有機熱固性膠料之底塗，不會有底塗因摩擦導致燒焦，造成印刷電路板表層銅箔及孔內燒焦及鑽針刀刃被燒焦之底塗髒汙的情形。本發明之複合用途之鑽孔用輔助板，因不具有機熱固性膠料，可以輕易的水洗回收，降低金屬板回收成本及達到環保減廢。

氧化處理後之鋁板剛性大幅提高，不易摺傷變形，使得板面非常平整服貼於被鑽物表面，降低鑽孔進出時因鋁板剛性不足引發的寸動，造成鑽針跑位或摺斷的問題。

本發明之鑽孔用輔助板，表面鉛筆硬度大於3H，因此，除了可以當蓋板，也可做為鑽孔用下墊板，防止出口性毛頭。相較於傳統墊板材質，本發明之鑽孔用輔助板的表面有潤滑劑，所以兼具潤滑功能，可大幅降低鑽頭磨耗與斷裂。因此本發明是具備複合用途的複合用途鑽孔輔助材料。

水溶性潤滑配方內主要含醇類(例如：丙二醇，丙三醇，己六醇)，聚乙二醇及醇醚(例如聚乙二醇，聚乙二醇烷酚醚，聚乙二醇烷基醚，聚乙二醇烷基胺醚)，混合了纖維素、聚乙烯醇，卡波姆(Carbomer)、聚乙烯吡咯烷酮(Polyvinylpyrrolidone，PVP)等成膜劑組成的塗料所塗佈成的均勻態(homogeneous)水性潤滑劑層塗佈厚度為10-60微米。

由於水溶性潤滑層的製作過程，常有水份乾燥速度太快，所引發的潤滑劑流平性呆滯的情形，而使得表面產生摺皺曲折不平的問題；另外水性潤滑劑在製造與塗佈過程中特別容易有微小氣泡生成，若無法消除，對小孔徑鑽孔精準度影響極大。

更由於本發明之金屬表面為奈米孔氧化層，因此更容易產生大量之氣泡。若依據中華民國公開號200806099發明專利申請案中揭露，加入異丙醇方式來克服，發現異丙醇不足以改善奈米孔層上潤滑層的氣泡問題。因此，本發明在水溶性潤滑層配方中，額外添加高沸點溶劑，如高沸點芳烴、酮、醇、酯的混合物或矽酮乙二醇、聚醚矽酮、烷基芳香基矽酮等。高沸點溶劑之沸點介於攝氏130℃至220℃之間；添加量為介於3至8重量百分比之間，以保持整體配方之水溶性。高沸點溶劑可有效改善潤滑劑層製作時的流平性，並有效消除微小氣泡。

為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的一種具奈米孔氧化層處理的鑽孔用輔助蓋板的具體實施方式、結構、方法、步驟、特徵及其功效，詳細說明如後。

有關本發明的前述及其他技術內容、特點及功效，在以下配合參考圖式的較佳實施例的詳細說明中將可清楚呈現。通過具體實施方式的說明，當可達成本發明之預定目的，採取所需的技術手段及功效，得一更加深入且具體的了解，然而所附圖式僅是提供參考與說明之用，並非用來對本發明加以限制。為了方便說明，在以下的實施例中，相同的元件以相同的編號表示。

(比較例一)

利用中華民國公開號200806099發明專利申請案中揭露，以底塗加面塗方式來製作鑽孔用上蓋板。鋁基板材料為130，厚度為70微米，預先塗上5微米厚的熱固性聚酯黏合劑(R820)為底塗。

在一攪拌容器中，將40份(重量)聚乙二醇-二甲基對苯二甲酸縮聚物(Paogen PP-15)和60份(重量)聚氧乙烯單硬脂酸酯(onion S-40)溶於180份(重量)水中。然後，加入80份(重量)異丙醇，得到固體量為27.8%、黏度為14000厘泊(25℃)的樹脂溶液。將該樹脂溶液用一塗頭(Die Lip)塗覆到鋁箔上，然後進行乾燥形成潤滑層；潤滑層之乾厚為30微米。

鑽孔輔助下墊板則採用酚醛樹脂板。

(比較例二)

如比較例一之方法，但不必預先塗上R820之底塗，直接在鋁板表面上面塗比較例一之樹脂溶液。鑽孔輔助下墊板採用木漿板材。

(實施例一)

本發明採用70微米之鋁板，進行水洗、脫漬、水洗、陽極處理、水洗及乾燥的程序。以15-20%重量分率硫酸或鉻酸或草酸為電解液施加陽極電流於鋁基材，電解電壓20V-40V，電解溫度為15℃，電解時間為3分鐘。

由穿透式電子顯微鏡6000倍下觀察形成之表面奈米孔氧化層，以其影像量測，其厚度平均值為0.97微米，如附件一之相片所示。再以30000倍穿透式電子顯微鏡觀察形成之表面奈米孔氧化層，孔洞直徑平均值為13.2奈米，如附件二之相片所示。以蝕刻方式取下氧化層稱重，氧化層重量為3.1克/米平方。

在陽極處理後之氧化層表面上，不必預先塗上R820之底塗，直接塗佈本發明之水溶性潤滑配方，然後進行乾燥形成潤滑層。如此所得之潤滑層，表面平整無皺紋及氣孔；潤滑層之乾厚為30微米。

本發明之水溶性潤滑配方，係利用重量為8份(重量)的聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30)，1份(重量)羥乙基纖維素，18份(重量)聚乙二醇醚，3份聚乙二醇烷基醚與70份(重量)水所組成塗料溶液，再額外添加5份(重量)之乙基丙酮(Acetylacetone，沸點為攝氏141℃)所形成固形份為28.5%的潤滑層塗料溶液。

(實施例二)

本發明採用70微米之鋁板，進行化成皮膜技術，用鹼液電解處理後以磷酸或硝酸為化成液浸泡處理鋁基材，浸泡溫度為50℃，浸泡時間為20分鐘。使形成厚度3.0-g/m² 的奈米孔氧化層。由穿透式電子顯微鏡觀察形成之奈米孔氧化層，以其影像量測孔洞，平均直徑為9.3奈米。其厚度為1.2微米，以蝕刻取下氧化層稱重，氧化層重量為4.1克/米平方。

在化成處理後之氧化層表面上，直接塗佈之水溶性潤滑配方，然後進行乾燥形成潤滑層；如此所得之潤滑層，表面平整無皺紋及氣孔；潤滑層之乾厚為30微米。

本發明之水溶性潤滑配方，係利用重量為8份(重量)的聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30)，1份(重量)羥乙基纖維素，18份(重量)聚乙二醇醚，3份聚乙二醇烷基醚與70份(重量)水所組成塗料溶液，再額外添加5份(重量)之丙二醇(Propylene glycol，PPG，沸點為攝氏188度)所形成固形份為28.5%的潤滑層塗料溶液。

使用雙馬來醯亞胺-三氮雜苯樹脂材質，厚度0.4毫米之雙面板電路板，疊層數兩片，以酚醛樹脂板為下墊板。以0.1毫米的孔徑鑽針，用每分鐘20萬轉鑽孔機，進刀速度1.6米/分，排屑量8微米/轉，鑽針孔限3000擊，施行鑽孔。所得之孔洞精準度與孔壁粗糙度比較試驗，結果如下：

依據美國標準測試方法ASTM D 3359，以百格刀測試潤滑層之接著力；完全無撥離為佳，有1至2區撥離為可，3區以上撥離為差。由上表可知，潤滑層與金屬基材間藉著奈米孔氧化層，達到良好的介面接著力，尤以陽極化處理之實施例一g佳。比較例一含底塗，因此接著力佳；反之，比較例二不含底塗，因此接著力差。由此證明，奈米孔氧化層有效改善潤滑層與金屬基材間之接著力，尤其陽極化處理之效果g佳。

由鑽孔精準度之量測數據可知，陽極化處理之輔助板，提供g佳的鑽孔精度，其次為化成皮膜之輔助板。相較於比較例，實施例一與實施例二之精度明顯較佳。由此證明，氧化層作為潤滑層與金屬的介面，除了改善潤滑層之接著性，高硬度之氧化層同時具有夾持鑽針之效果，當鑽針進入氧化層後，降低鑽針擺動，進而提高鑽孔精準度。

實施例一與實施例二的具奈米孔氧化層之輔助板，有上述之良好鑽孔精度，且皆無鑽針污染與斷針之情形；反之，兩個比較例皆有鑽針污染的現象，比較例二甚至有斷針之情形。

由上表中之孔壁粗糙度可知，實施例一之粗糙度為g低；低的孔壁粗糙度可提升印刷電路板的電氣信賴度。

(實施例三)

本發明採用150微米之鋁板，進行水洗、脫漬、水洗、陽極處理、水洗及乾燥的程序。以硫酸或鉻酸或草酸為電解液施加陽極電流於鋁基材，電解溫度為15℃，電解電壓20V-40V，電解時間為4分鐘。由電子顯微鏡觀察形成之奈米孔氧化層，該氧化層厚度，蝕刻秤重量得為5.0 g/m² 。

採用與實施例一相同的方式製作潤滑層，潤滑層之乾厚控制在15微米。

使用雙馬來醯亞胺-三氮雜苯樹脂材質，厚度0.8毫米之雙面板電路板，疊層數4片，以一般鋁板為上蓋板，將以上製得的板料，做為高速鑽孔用輔助墊板。以0.2毫米的孔徑鑽針，用每分鐘20萬轉鑽孔機，進刀速度3.2米/分，排屑量16微米/轉，鑽針孔限6000擊，施行鑽孔，然後比較出口端毛頭的大小。除此之外，另施行以每100孔後降低轉速2萬轉續鑽直到斷針發生方式，測試墊板潤滑能力。硬度測試係根據ASTM D3363，用鉛筆硬度並荷重500克，進行測試，所得結果如下：

鋁之原始鉛筆硬度為1H至3H；經氧化處理後，硬度提升為4H至7H；比較例之酚醛樹脂板硬度為7H，木漿板硬度1H。墊板之硬度愈高，所測得之出口毛頭也愈短，孔洞的耐久性提高。由此測試數據可知，氧化反應使鋁板之硬度提升至與酚醛樹脂板之硬度接近，使出口毛頭大幅變短至與酚醛樹脂板之效果相當。與傳統酚醛樹脂板或木漿板之不同，在於此墊板具有潤滑層，因此鑽針的壽命遠比使用酚醛樹脂板與木漿板材為佳。

藉由上述技術方案，本發明的一種複合用途之鑽孔用輔助板，具有下列優點及有益效果：

1.無熱固性膠之底塗，不會造成鑽針髒汙。

2.其金屬基材表面無熱固性膠之底塗，因此回收容易，環保減廢。

3.經氧化處理之金屬表面之挾持鑽針的效果，達到提升鑽孔精度的作用。

4.表面處理提升金屬板與潤滑層之接著力，以確保潤滑層定位，及鑽孔過程中不致於因鑽針上下進出拉扯而剝離。

5.表面處理提升金屬板之剛性，以確保輔助蓋板的平整性與抗變形能力，進而提高鑽孔的精度。

6.表面處理提升金屬板之剛性與表面硬度，可做為鑽孔輔助下墊板，可有效防止鑽孔出口性毛頭，所施加的潤滑層可降低鑽頭磨耗，延長鑽針壽命。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用上述揭示的方法及技術內容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

1．．．印刷電路板

2．．．金屬基材

3．．．固態潤滑劑層

4．．．墊板

5．．．鑽頭

6．．．奈米孔氧化層

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：

第1圖係繪示印刷電路板之鑽孔用輔助板的組合結構示意圖。

第2圖係繪示本發明之一種單面潤滑複合用途之鑽孔用輔助板的結構示意圖。

第3圖係繪示本發明之另一種單面潤滑複合用途之鑽孔用輔助板的結構示意圖。

第4圖係繪示本發明之一種雙面潤滑複合用途之鑽孔用輔助板的結構示意圖。

附件一係為實施例一的氧化層在穿透式電子顯微鏡影像及膜層厚度量測結果之相片。

附件二係為實施例一的氧化層在穿透式電子顯微鏡影像所量測之孔徑、管壁厚度之相片。

2．．．基材

3．．．固態潤滑層

6．．．具奈米孔氧化層之基材

Claims (7)

1. 一種複合用途之鑽孔用輔助板，其包含一具氧化層之鋁基材及一水溶性固態潤滑層；其中該水溶性固態潤滑層，係利用重量為8份(重量)的聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30)，1份(重量)羥乙基纖維素，18份(重量)聚乙二醇醚，3份聚乙二醇烷基醚與70份(重量)水所組成塗料溶液，再額外添加5份(重量)之溶劑(沸點介於攝氏130度至220度之間)；其中該氧化層為奈米孔結構，平均孔洞直徑介於5奈米至15奈米之間，厚度大於0.5微米，鉛筆硬度介於4H至7H之間。
2. 如申請專利範為第1項所述之一種複合用途之鑽孔用輔助板，其中該鋁基材，厚度介於50微米至500微米之間。
3. 如申請專利範為第1項所述之一種複合用途之鑽孔用輔助板，其中該氧化層係由金屬基材表面經過陽極化處理或化成皮膜處理所得。
4. 如申請專利範為第3項所述之一種複合用途之鑽孔用輔助板，其中該化成皮膜處理係利用磷酸或硝酸為化成液，浸泡處理鋁基材以形成奈米孔氧化層。
5. 如申請專利範為第3項所述之一種複合用途之鑽孔用輔助板，其中該陽極化處理係利用電解法以硫酸或鉻酸或草酸為電解液施加陽極電流於金屬基材。
6. 如申請專利範為第1項所述之一種複合用途之鑽孔用輔助板，其中該溶劑，係選自高沸點芳烴、酮、醇、酯 的混合物或矽酮乙二醇、聚醚矽酮、烷基芳香基矽酮或以上之組合物。
7. 如申請專利範為第1項所述一種複合用途之鑽孔用輔助板，其可被用於鑽孔輔助上蓋板或下墊板。