TWI477386B - 熱壓機用之緩衝材及其應用 - Google Patents

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Description

熱壓機用之緩衝材及其應用
本發明係關於一種熱壓機用之緩衝材及其應用，本發明尤其係關於一種在低溫時具有低熱傳導係數且在高溫時具有高熱傳導係數之緩衝材及其應用。
積層板係透過熱壓程序而形成之複合層結構，如軟性印刷電路板(Flexible Printed Circuit Board，FPCB)、IC載板、多層佈線板、印刷電路板、銅箔積層板、高密度連結板(High Density Intrerconnection，HDI)等。以印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)為例，其係由複數層的膠片、絕緣層、黏合層與金屬層以熱壓程序黏合而成。於熱壓程序中，溫度及壓力的控制極為重要，其不僅直接影響所得積層板各層間的接合效果，且影響所得積層板的物理特性及電特性。
參考第1圖以說明積層板之製造。如第1圖所示，由外而內依序為上下成對配置之加熱板111、載盤131、緩衝材151及鋼板171，待熱壓之積層板材料191則置於二鋼板171之間。藉由二加熱板111施加一定壓力與熱，並透過鋼板171來提供熱壓效果。透過緩衝材151的使用，可將來自加熱板111之壓力及熱能均勻傳遞到積層板材料191表面，從而獲致精密度良好的積層板成品。
其中，緩衝材151所要求之特性包括，例如：吸收其上下之加熱板111及/或載盤131壓力之緩衝性、吸收加熱板111溫度不均之溫度緩和性、以及均勻傳遞來自加熱板111之熱及壓力之傳遞能力等。
牛皮紙由於具有成本低廉、傳熱效果均勻等優點，因此常作為緩衝材之材料。然而，牛皮紙亦存在許多缺點，包括，在高溫(如150℃)之熱壓條件下的拉張強度(tensile strength)，不及於在室溫時之拉張強度的20%，且其在高溫下的彈性係數(modulus of elasticity)更低至250百萬磅/平方英寸以下。此外，牛皮紙於重複使用後，容易因本身的劣化而造成緩衝材的熱阻提升、熱傳效能降低等問題，故無法重複使用，既不符合環保概念亦不符合經濟效益。
目前已開發出可供重複使用之緩衝材。舉例言之，日本專利特開昭第55-101224號中揭露一種如由芳香族聚醯胺纖維構成的多層針刺毛氈緩衝材，該芳香族聚醯胺纖維中可混紡氟系纖維、玻璃纖維、金屬纖維、碳纖維等其他耐熱纖維。台灣專利第I231265號係揭露一種可重複使用之緩衝材，其中係組合二種具不同特性之纖維來達到重複使用的目的。台灣專利第I318924號則揭露一種由具有芯鞘結構之纖維所形成的緩衝材，其中纖維芯部的軟化溫度係低於熱壓溫度，而纖維鞘部的軟化溫度則高於熱壓溫度，藉此維持在熱壓循環下之緩衝性。
習知緩衝材之改良中，莫不著眼於提高緩衝材之重複使用性能及提升緩衝材之熱傳導性能。然而，在實際操作上，具有高熱傳導性的緩衝材同時會面臨到「溢膠」的問題。其中，當緩衝材之熱傳導係數太高，則會在熱壓操作初期(即低溫階段，此時樹脂仍為半固化狀態)因導熱過快，使得積層板材料上的樹脂軟化溢流，進而汙染緩衝材的表面，造成「溢膠」問題；更甚者，若溢膠情況過於嚴重，將使得所製得之積層板的厚度不均，嚴重影響生產穩定性。
鑒於此，本發明提供一種可重複使用且在低溫時具有低熱傳導係數、在高溫時具有高熱傳導係數之緩衝材，可解決既有緩衝材之溢膠問題。
本發明之一目的在於提供一種緩衝材，其包含一基材以及一纖維材料，該纖維材料於約20℃時之熱傳導係數係低於約0.15瓦/公尺‧K，且其熱傳導係數係隨溫度上升而上升，其中該纖維材料係以針軋方式固定在該基材上。
本發明之另一目的在於提供一種積層板之製造方法，其係於熱壓工具與積層板材料之間存在如上述之緩衝材的情況下，進行積層板材料之熱壓處理。
為讓本發明之上述目的、技術特徵及優點能更明顯易懂，下文係以部分具體實施態樣進行詳細說明。
以下將具體地描述根據本發明之部分具體實施態樣；惟，在不背離本發明之精神下，本發明尚可以多種不同形式之態樣來實踐，不應將本發明保護範圍解釋為限於說明書所陳述者。此外，除非文中有另外說明，於本說明書中(尤其是在後述專利申請範圍中)所使用之「一」、「該」及類似用語應理解為包含單數及複數形式。此外，為明確起見，圖式中可能誇示各元件及區域的尺寸，而未依實際比例繪示。
本發明係提供一種在低溫時具有低熱傳導係數且在高溫時具有高熱傳導係數之緩衝材。具體言之，本發明緩衝材係透過針軋方式，將纖維材料固定於基材上，其中纖維材料於約20℃時之熱傳導係數係低於約0.15瓦/公尺‧K且其熱傳導係數係隨溫度上升而上升，舉例言之，於約160℃時，纖維材料之熱傳導係數可高於約0.20瓦/公尺‧K。藉由纖維材料之熱傳導及緩衝特性，可在毋須更改熱壓機之熱壓條件下，避免在熱壓操作初期之低溫加熱段熱傳導過快，達到抑制溢膠之效，同時可在熱壓操作之高溫加熱段提供高熱傳導能力，縮短壓合反應時間。
於本發明緩衝材中，纖維材料除須具備所述熱傳導係數性質以外，其熱降解溫度亦須高於積層板製程上的最高溫度，較佳係高於350℃。舉例言之，聚對苯二甲醯對苯二胺(poly-paraphenylene terephthalamide，PPTA)之熱降解溫度為427℃，且PPTA纖維在低溫時(約10至30℃)之熱傳導係數係低於約0.06至約0.12瓦/公尺‧K且在約160℃時之熱傳導係數係高於約0.23至約0.29瓦/公尺‧K，故可用為本發明緩衝材所需之纖維材料。
除具所欲熱傳導係數特性之纖維以外，本發明緩衝材之纖維材料亦可混摻其他纖維，以賦予緩衝材不同特性。舉例言之，本發明緩衝材之纖維材料可實質上由PPTA纖維及一選自以下群組之纖維所構成：聚間苯二甲醯間苯二胺(poly-metaphenylene isophtalamide，MPIA)纖維、含雜原子的芳香族纖維、芳香族雜環纖維、石墨化碳纖維、酚醛樹脂纖維(Kynol)、三聚氰胺縮甲醛(melamine formaldehyde，MF)纖維、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)纖維、Visil纖維及前述之組合。於本發明之部分實施態樣中，係採用PPTA纖維、或併用PPTA纖維與MPIA纖維來提供所需纖維材料。由於MPIA纖維具有優異的緩衝能力，且其在低溫時之熱傳導係數較PPTA纖維高，而在高溫時之熱傳導係數卻較PPTA纖維低，因此可用來調整緩衝材於高低溫時之熱傳導特性，以符合使用者需求。纖維混摻之比例並無特殊限制，只要能提供所欲之纖維材料熱傳導係數特性即可。以混摻PPTA纖維及MPIA纖維為例，以構成纖維材料之纖維總重量計，MPIA纖維的含量以約5重量%至約45重量%為宜。
於本發明緩衝材中，基材主要係用來提供一結構支撐物，以固定纖維材料並保持纖維材料之取向(orientation)。基材之結構並無特殊限制，可例如為網狀形式、織物形式、薄片形式等。基材之材料種類亦無特殊限定，惟其材料之熱降解溫度須高於積層板製程上的最高溫度，較佳係高於350℃。
舉例言之，本發明緩衝材之基材可實質上由選自以下群組之纖維所構成：PPTA纖維、MPIA纖維、含雜原子的芳香族纖維、芳香族雜環纖維、石墨化碳纖維、Kynol纖維、MF纖維、PTFE纖維、玻璃纖維、Visil纖維及前述之組合。更佳地，基材係由於高溫時(如約180℃)具收縮效果之纖維所構成，從而能於高溫熱壓時更緊實地將纖維材料固定於基材上，以避免纖維材料之纖維脫落同時提高緩衝層於高溫下之熱傳導效果。
已發現，MPIA纖維在升溫過程中有收縮的現象，因此非常適合作為本發明之基材。於本發明之部分實施態樣中，係以MPIA纖維所構成之纖維網作為基材，並將纖維材料針軋於此基材上。
本發明緩衝材的熱傳導特性除受纖維材料之材料特性影響以外，亦與其自身之基重有關。一般來說，在相同加熱條件下，緩衝材之基重越低，所產生之熱阻越低，透過緩衝材傳遞熱能至待加工物料的速率就越快；反之，緩衝材之基重越高，熱阻亦相對提高，熱能傳遞至待加工物料的速率就越慢。因此，可視需要調整基重，以符合各種既定熱壓製程的溫度控制(升/降溫速率)需求。
一般而言，本發明緩衝材之基重為約200克/平方公尺至約3000克/平方公尺，較佳約1400克/平方公尺至約2200克/平方公尺，惟本領域具通常知識者於觀得本文揭露內容後，可視製程需求而選用其他合宜之基重，不以上述範圍為限。於本發明之部分實施態樣中，緩衝材之基重為約1600克/平方公尺。可透過如調整纖維材料之纖維粗細或調整纖維材料密度，來提供所欲之緩衝材基重，或者亦可將複數層經初步針軋之緩衝片材彼此結合，來提供所欲之緩衝材基重，本領域具通常知識者於觀得本文揭露內容後，可依其通常知識而視需要調整。
視操作需要，可以單層或多層之本發明緩衝材來進行積層板的熱壓處理。當使用多層緩衝材時，各層間之構成材料(基材及纖維材料)及基重可彼此相同或不同，以提供所欲之熱傳導及緩衝特性。
此外，基於保護或其他目的(如便於吸附移載)，可於本發明緩衝材之表面覆上一覆層。舉例言之，可於本發明緩衝材之至少一側覆上一纖維層或鐵氟龍層，以避免溢膠汙染同時加強對移載工具之吸附性。其中，纖維層較佳係由選自以下群組之纖維所構成：PPTA纖維、MPIA纖維、含雜原子的芳香族纖維、芳香族雜環纖維、石墨化碳纖維、Kynol纖維、MF纖維、PTFE纖維、玻璃纖維、Visil纖維及前述之組合。亦可以金屬層為覆層，於本發明緩衝材之至少一側覆上一金屬層，以提升緩衝材之熱傳導性能。上述覆層可視需要單獨或組合使用。此外，覆層之厚度並無特殊限制，只要能提供所欲之效果即可。於本發明之部分實施態樣中，係例示在緩衝材之兩側各覆上一厚度約75微米之MPIA纖維層。
本發明另提供一種積層板之製造方法，其係於熱壓工具與積層板材料之間存在上述熱壓機用緩衝材的情況下，進行積層板材料之熱壓處理。其中，可視所應用之熱壓機種類，以各種合宜之方式配置本發明之熱壓機用緩衝材(如直接與待加工材料接觸或不直接與待加工材料接觸)，使得壓力及熱能均勻分布於積層板材料表面，提供所欲之緩衝效果，從而獲致精密度良好的積層板成品。
舉例言之，可如第1圖所示之熱壓機1，將緩衝材151安置於上下成對配置之載盤131及鋼板171之間，或如第2圖所示之熱壓機2，將緩衝材231安置於加熱板211及鋼板251之間，不直接與積層板材料191、271相接觸。亦可如第3圖所示之熱壓機3，將本發明緩衝材331安置於上下成對配置之加熱加壓板311及待熱壓之積層板材料351之間。第1圖、第2圖及第3圖所示之熱壓機態樣及緩衝材設置方式僅供例示說明，並非用以限制本發明緩衝材之應用；例如，亦可視需要將緩衝材同時安置於加熱板與鋼板之間，以及於鋼板與待熱壓之積層板材料之間。
茲以下列具體實施態樣以進一步例示說明本發明。
實施例
<緩衝材之製備>
[實施例1]
採用由MPIA纖維所構成之纖維網作為基材，並單獨使用PPTA纖維作為纖維材料。藉由開棉(opening)、混紡(blending)、鋪棉(lapping)、疏棉(carding)、初步針軋(pre-needle-punching)等步驟，形成經初步針軋之緩衝片材。嗣後將數片緩衝片材疊合，並經46500針之針軋(needle-punching)處理、熱壓燙平(hot-pressing)及燒毛(singeing)處理，形成基重為約1600克/平方公尺的緩衝材1。分別測量緩衝材1於20℃及160℃之熱傳導係數，其結果各為0.0915瓦/公尺‧K及0.2651瓦/公尺‧K。
[實施例2]
在緩衝材1之兩側各覆上一厚度約75微米之MPIA纖維層，獲得緩衝材2。
[實施例3]
重複實施例1之步驟以製備緩衝材3，惟係使用90重量%之PPTA纖維與10重量%之MPIA纖維作為纖維材料。
[實施例4]
在緩衝材3之兩側各覆上一MPIA纖維層，獲得緩衝材4。
[實施例5]
重複實施例1之步驟以製備一緩衝材，惟係使用60重量%之PPTA纖維與40重量%之MPIA纖維作為纖維材料。於所製得之緩衝材之兩側各覆上一厚度約75微米之MPIA纖維層，獲得緩衝材5。
[比較例1]
重複實施例1之步驟以製備一緩衝材，惟係單獨使用MPIA纖維作為纖維材料，並於所製得之緩衝材之兩側各覆上一厚度約75微米之MPIA纖維層，獲得緩衝材1'。
[比較例2]
疊合16張牛皮紙作為緩衝材2'。
<積層板製備>
將7628玻璃纖維布含浸於環氧樹脂中，以提供半固化片(樹脂/玻璃纖維布：43%)，嗣後將八片半固化片層合，並於其最外層之兩側各層合一張1盎司之銅箔，以此形成積層板材料。分別使用緩衝材1至5及緩衝材1'與2'做為緩衝層，並安置於如第1圖所示之熱壓機1，對該積層板材料進行熱壓操作以製備積層板。熱壓條件如下：在30毫米汞柱之減壓環境中、於全壓15公斤/平方公尺(初壓8公斤/平方公尺)之壓力條件下，將溫度由室溫升溫至120℃，並持溫20分鐘，嗣後再將溫度由120℃升溫至180℃，最後再升溫至200℃，並持溫40分鐘。分別使用各緩衝材製造20片積層板，並測量各緩衝材於50℃至120℃及120℃至180℃時之平均升溫速率；以及測量所製得之積層板的厚度差異(積層板中心厚度-積層板角落厚度)、玻璃轉移溫度(Tg)及尺寸收縮率，並取其平均值，將結果記錄於表1。其中，由於牛皮紙(緩衝材2')操作2至3次後即出現脆化現象，因此僅記錄單次操作下之測試結果。
於表1結果中，尺寸收縮率係透過以下方式測量：於積層板樣本上標定兩定位點，隨後蝕刻該積層板，並烘乾該經蝕刻之積層板，最後測量兩定位點間的脹縮差異。
由表1可知，本發明緩衝材(緩衝材1至5)在用於熱壓操作時，能提供與牛皮紙緩衝材(緩衝材2')相當的升溫速率，且應用本發明緩衝材所製得積層板之玻璃轉移溫度，亦與使用牛皮紙緩衝材所製得者相當。此外，由本發明緩衝材所製得之積層板的厚度差異，明顯小於使用牛皮紙或單純使用MPIA纖維作為纖維材料之緩衝材所製得之積層板的厚度差異，此一事實說明，本發明緩衝材在熱壓過程中能有效減少積層板材料之樹脂發生溢膠情形，此使得積層板的厚度分布更為均勻，且相應地減少緩衝材受沾汙之情況。
另外，如表1所示，使用本發明緩衝材所製得之積層板，其在尺寸上的變化亦小於非使用本發明之緩衝材所製得者(甚至遠小於使用牛皮紙所製得之積層板)，此一事實顯示，經本發明緩衝材所製得之積層板結構較為緻密，且固化反應之交聯完整性較高。
綜合上述，本發明之緩衝材不僅可重複使用、具有可與牛皮紙匹配之熱傳特性，且在熱壓過程中能有效降低積層板材料之溢膠情形。從而，使用本發明緩衝材所製得之積層板，不僅厚度均勻且在尺寸穩定性上亦顯現改良效果。
上述實施例僅為例示性說明本發明之原理及其功效，並闡述本發明之技術特徵，而非用於限制本發明之保護範疇。任何熟悉本技術者在不違背本發明之技術原理及精神下，可輕易完成之改變或安排，均屬本發明所主張之範圍。因此，本發明之權利保護範圍係如後附申請專利範圍所列。
1、2、3．．．熱壓機
111、211、311．．．加熱板
131．．．載盤
151、231、331．．．緩衝材
171、251．．．鋼板
191、271、351．．．積層板材料
第1圖所示為一熱壓機之概略的剖面圖；
第2圖所示為另一熱壓機之概略的剖面圖；以及
第3圖所示為再一熱壓機之概略的剖面圖。

Claims (9)

  1. 一種熱壓機用之緩衝材，係由複數個緩衝片材所構成，各該緩衝片材包含：一基材；以及一纖維材料，該纖維材料實質上係由聚對苯二甲醯對苯二胺(poly-paraphenylene terephthalamide，PPTA)纖維及聚間苯二甲醯間苯二胺(poly-metaphenylene isophtalamide，MPIA)纖維所構成，且以該纖維材料重量計，聚間苯二甲醯間苯二胺纖維之含量為約5重量%至約45重量%，其於約20℃時之熱傳導係數係低於約0.15瓦/公尺‧K且該熱傳導係數係隨溫度上升而上升，其中，該纖維材料係以針軋方式固定於該基材上。
  2. 如請求項1之緩衝材，其中該纖維材料於約160℃時之熱傳導係數高於約0.20瓦/公尺‧K。
  3. 如請求項1之緩衝材，其中該纖維材料及該基材之熱降解溫度均高於約350℃。
  4. 如請求項1之緩衝材，其中該基材實質上係由選自以下群組之纖維所構成：聚對苯二甲醯對苯二胺纖維、聚間苯二甲醯間苯二胺纖維、含雜原子的芳香族纖維、芳香族雜環纖維、石墨化碳纖維、酚醛樹脂纖維、三聚氰胺縮甲醛纖維、聚四氟乙烯纖維、玻璃纖維、Visil纖維及前述之組合。
  5. 如請求項4之緩衝材，其中該基材實質上係由聚間苯二甲醯間 苯二胺纖維所構成。
  6. 如請求項1之緩衝材，其基重為約200克/平方公尺至約3000克/平方公尺。
  7. 如請求項1至6中任一項之緩衝材，其中該緩衝材之至少一側係覆有一纖維層、鐵氟龍層或金屬層。
  8. 如請求項7之緩衝材，其中該纖維層實質上係由選自以下群組之纖維所構成：聚對苯二甲酸對苯二胺纖維、聚間苯二甲醯間苯二胺纖維、含雜原子的芳香族纖維、芳香族雜環纖維、石墨化碳纖維、酚醛樹脂纖維、三聚氰胺縮甲醛纖維、聚四氟乙烯纖維、玻璃纖維、Visil纖維及前述之組合。
  9. 一種積層板之製造方法，其係於熱壓工具與積層板材料之間存在如請求項1至8中任一項所述之緩衝材的情況下，進行積層板材料之熱壓處理。
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