聚四氟乙烯高频板微孔表面创成过程及低温辅助钻削研究

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聚四氟乙烯高频印制电路板(Poly Tetra Fluoro Ethylene High Frequency Printed Circuit Board,简称“PTFE HFPCB”或“PTFE高频板”)因具有极低的介电性、优异的耐候性和抗腐蚀性,被广泛应用于航空航天、卫星通讯、5G通信基站领域,作为高频信号传输和处理的电气连接载体。相比常规刚性印制板,PTFE树脂硬度低、热膨胀系数大、玻璃化转变温度极低,钻孔过程易发生软化,引起玻璃纤维弯曲变形,造成孔壁粗糙及灯芯大等影响钻孔质量和信号传输可靠性的问题。本文研究了两种不同PTFE高频板基材的微孔表面创成过程;采用冷风、超临界二氧化碳(scCO2)、液氮(LN2)三种低温冷却辅助钻削工艺,研究了不同低温冷却辅助方式对PTFE高频板钻削特性及孔壁质量的影响机理,获得PTFE高频板优化冷却辅助工艺。并对PTFE混压板环氧树脂板(FR-4)孔粗及铝基板(Al-PCB)毛刺问题提出了低温冷却改善工艺。最终提出了PCB钻孔中低温冷却辅助工艺的适用性原则。主要研究结论如下:(1)在PTFE高频板微孔表面创成过程方面,提出了两种不同玻纤结构PTFE高频板基材的切屑形貌和孔壁缺陷差异。常规玻纤布的PTFE高频板(GF300)切屑不利于排出;由于玻纤束交织部位力学性能较差,最易形成孔壁缺陷,且根据交织位置支撑材料硬度不同,呈现三种形式:玻纤交织处的下部形成较大凹入缺陷、玻纤交织处的上部形成较小凹入缺陷以及非交织部位的纵向玻纤断裂出现轻微凸出。扁平玻纤布+陶瓷填料的PTFE高频板(CLTE)切屑利于排出;主要缺陷来源于陶瓷填料的脱落或陶瓷填料对周围树脂的挤压。PTFE+常规玻纤布的基材对刀具锋利性具有很高要求,但对于扁平玻纤布+陶瓷填料的基材,轻微钻头磨损和横刃粘屑对陶瓷填料的冲击具有一定缓冲作用。(2)在PTFE高频板钻削工艺方面,提出了低温冷却辅助工艺。GF300宜采用10℃冷风或-172℃液氮辅助工艺,其中冷风在控制GF300孔壁粗糙度方面表现优异,液氮则在控制灯芯上效果更佳。CLTE宜采用scCO2辅助工艺,孔壁粗糙度可以得到有效控制,同时scCO2对陶瓷填料切削冲击具有缓冲作用。(3)发明了一种PCB钻削排屑顺畅性评价方法,通过将排屑过程有明显特征的各层铜箔切屑排出板面时间,与钻头钻削对应层铜箔的时间对比,得出的各层铜箔排屑延迟时间,可以有效、定量地分析各阶段排屑顺畅性。(4)在PTFE混压板低温冷却辅助钻削工艺方面,采用-4.7℃冷风辅助FR4大孔钻削的排屑及降温效果最佳,能有效控制孔壁粗糙度。使用10℃冷风匹配加厚复合垫板优化工艺,控制铝基板出口毛刺效果最佳。(5)提出三种低温冷却辅助钻削工艺的特点及钻孔加工适用性原则,冷风属于温和冷却型,适用板材性比较广(除陶瓷填料类),对于改善钻削表面质量缺陷(如孔粗、毛刺)有比较好的效果;液氮属于超低温冷却型,以其超强的降温效果适用于需改善内部细节的质量缺陷(如灯芯)的板材;scCO2属于缓冲冷却型,以其自带粘性效果适用于高硬材料板材(含陶瓷填料)。
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