聚酰胺1212在印刷電路板刀具磨削用金剛石砂輪中的應用*

張高亮， 史林峰， 趙延軍, 2， 錢灌文， 王禮華， 左冬華， 朱建輝, 2

(1. 鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司， 鄭州 450001) (2. 超硬材料磨具國家重點實驗室， 鄭州 450001)

隨著電子信息工業向精密、高效發展，對電子信息行業用印刷線路板[1](Printed circuit board，PCB)加工用刀具(簡稱PCB刀具)的精密程度和品質提出了更高的要求[2]。PCB刀具尺寸小(刀具直徑通常為0.4～1.6 mm，如圖1所示)，磨削加工尺寸精度要求更高(0.01 mm)，生產批量大(單批次產量可達20萬支以上)，良品率的要求高(99.5%以上)。國內外對PCB刀具的生產及影響PCB刀具產品質量的因素進行了研究分析[3]，其中PCB刀具磨削用砂輪的磨損快慢、砂輪的磨削品質等成為制約刀具精度和良品率的重要環節之一[4]。

圖1 印刷線路板加工用銑刀示意圖

用于加工PCB刀具的傳統砂輪，大多使用酚醛、聚酰亞胺等熱固性樹脂作為主要結合劑材料。在加工PCB刀具時砂輪磨損變形，需要頻繁修整，導致加工出的PCB刀具精度偏差大，或者因砂輪崩口而導致加工出的PCB刀具的刃口產生鋸齒而成為廢品。因此需要改善砂輪的耐磨性和磨削質量，以滿足電子行業用PCB刀具的高效精密加工要求[5]。

為制備耐用度高、壽命長、加工精度高的樹脂結合劑金剛石砂輪，需要在現有的樹脂結合劑體系中添加具有良好耐熱性、耐磨性和抗沖擊性的高分子材料，提高樹脂砂輪自身耐磨性、尖角保持能力，從而達到提升砂輪的阻尼彈性、減小磨削過程中的砂輪震動、改善PCB刀具表面質量的目的。

目前國內關于聚酰胺增韌的研究較多[6-10]，但將其用于金剛石砂輪結合劑的報道很少。聚酰胺(Polyamide，PA)是一種熱塑性高分子，具有良好的韌性、耐磨性和抗震性能[11-12]。趙延軍等[13]發現在砂輪體系中加入PA1012，一定程度上降低了砂輪自身剛性，可以改善砂輪磨削性能及刀具的表面質量，并可降低設備工作時的主軸功率。

相比于PA1012，PA1212的亞甲基鏈更長[14]，具有更高的韌性和抗震減震性能[15]。因此從樹脂金剛石砂輪制造工藝出發，選取PA1212對聚酰亞胺樹脂結合劑進行改性，進而制備聚酰胺/聚酰亞胺復合樹脂結合劑砂輪。通過磨削試驗及相關測試檢測，對比加入PA1212對砂輪的耐用度、壽命，以及加工PCB刀具的良品率、表面質量的影響。

1 試驗條件與過程

1.1 樣品試制

以聚酰亞胺樹脂、碳化硅微粉、氧化鉻等原料為結合劑，金剛石為磨料，經過充分混合均勻后熱壓成型制備得到砂輪A。同時按照表1所示的配方，分別加入不同體積分數的PA1212粉末制成試驗砂輪B～E。砂輪規格為： 4A9 150×10×31.75×10×2.5 D1000 B100，砂輪成品如圖2所示。

表1 樹脂砂輪配方Table 1 Formula of resin bond grinding wheel

注：A為對比樣砂輪。

圖2 砂輪成品示意圖

1.2 磨削試驗

磨削工件為硬質合金PCB刀具，磨削部位為PCB刀具溝槽。砂輪修整示意圖和部分工件磨削部位分別如圖3、圖4所示。試驗參數如表2所示,檢測儀器為VHX-2000超景深三維顯微鏡。

圖3 砂輪修整型貌圖

圖4 磨削工件形貌圖

工藝參數取值主軸轉速r/(r/min)5300進刀速率v/(mm/min)120磨削余量d/mm0.021冷卻流量Q/(L/min)35

注：五款試驗砂輪采用同種磨削工藝

2 結果與討論

2.1 添加PA1212前后的微觀結構對比

添加PA1212前后砂輪結構的掃描電鏡(SEM)對比如圖5～圖8所示。

圖5 未添加PA1212的砂輪A的SEM圖

圖6 含5%PA1212砂輪B的SEM圖

圖7 含10%PA1212砂輪C的SEM圖

如圖5所示，未添加PA1212的樹脂結合劑金剛石砂輪A的微觀形貌中，在背散射條件下磨料及輔助填料的形貌對比度極為明顯，能夠看出樹脂結合劑對磨料和填料等顆粒料的包裹和浸潤不足。通過圖5至圖8的對比可知：PA1212的加入使樹脂結合劑金剛石砂輪層中的磨料、填料及結合劑間形成了流動狀層間物，且隨著PA1212添加比例提高，流動狀層間部分增多。而層間流動狀物質是PA1212在一定溫度下熔融流動而形成的，其不但加強了對磨料、填料的浸潤和包覆，也在相關剛性磨料及填料間形成了緩沖層。含20%PA1212砂輪D的SEM圖片與圖8類似。

圖8 含15%PA1212砂輪D的SEM圖

2.2 不同PA1212比例對砂輪性能的影響

隨著砂輪對PCB刀具磨削加工過程的延續，高精密PCB刀具的溝槽槽形會隨著砂輪磨損及鈍化而發生改變。當砂輪磨損到一定程度，加工出的刀具尺寸或槽型精度超出公差要求，產生PCB刀具的不良品(如圖9所示)。此時需要對金剛石砂輪進行修整，以滿足PCB刀具的加工要求。從修整完畢開始磨削加工到下一次修整期間，磨削加工的PCB刀具的數量稱作砂輪耐用度；而從砂輪開始使用到砂輪工作層消耗完畢、砂輪無法再參與磨削時加工的總工件數被稱作砂輪壽命。砂輪耐用度和壽命是評價砂輪性能穩定性及性價比的關鍵參數。

(a) 不良品 Rejects(b) 良品 Good圖9 PCB銑刀的顯微放大圖Fig. 9 Microscopic magnification of PCB miller

用不同的砂輪磨削PCB精密刀具的結果如表3所示。

從表3中可以看出：砂輪中添加PA1212能夠有效提高磨削PCB刀具用樹脂金剛石砂輪的耐用度和壽命，并提高PCB刀具良品率并改善其表面的磨削紋路。

表3 各樹脂結合劑砂輪磨削結果Table 3 Grinding results of each grinding wheel

PA1212對PCB刀具加工用砂輪的耐用度和磨削壽命的提升隨著PA1212含量的增多而逐步增加，但在PA1212體積分數為10%時出現拐點。

原因在于加入的PA1212與樹脂結合劑中的聚酰亞胺形成性能互補，能夠改善砂輪組織結構的抗沖擊性能，有效規避因砂輪與刀具磨削時的剛性碰撞造成的砂輪非磨削損耗，降低了因此帶來的修整頻次，因而能夠明顯改善砂輪的耐用度及壽命。但當PA1212的體積分數在15%及以上時，樹脂結合劑自身的剛性降低，導致結合劑對金剛石磨料的機械嵌合作用降低，進而導致砂輪的耐用度和磨削壽命降低。另一方面，由于PCB刀具直徑較小(0.4～1.6 mm)而硬質合金脆性大、韌性小，磨削加工時適量加入PA1212能優化樹脂結合劑的整體抗沖擊性能，增加砂輪與刀具的柔性磨削接觸區域，減少了因沖擊造成的刀具崩口及尺寸改變，因而PCB刀具的良品率得到了明顯提升。當PA1212的體積分數在10%以下時，隨著加入比例的提升，其對崩口尺寸及磨削紋路的有益效果也越發明顯；當添加比例在15%及以上時，盡管砂輪對刀具的崩口尺寸和表面紋路控制效果依然良好，但砂輪自身的剛性降低過多，尺寸控制和表面紋路帶來的有益效果難以彌補砂輪型面精度失真帶來的不良效應，因此耐用度及磨削壽命會出現降低的趨勢。

將磨削后的PCB刀具在超景深視頻顯微鏡下觀察，得到圖10所示的三維顯微圖。從圖10中可以看出：用加入PA1212增韌的樹脂結合劑砂輪加工出的PCB刀具紋路更均勻。在聚酰亞胺樹脂結合劑砂輪中加入具有較高韌性的PA1212樹脂，砂輪微觀組織中形成了韌性-剛性的交替分布，在磨削加工硬脆硬質合金刀具時，具有較高韌性的PA1212樹脂能夠降低剛性接觸的沖擊力，使得參與磨削的金剛石刃部均勻切削刀具材料，因而磨削紋路較為均勻。

(a) 對比砂輪AComparison wheel A(b) 試驗砂輪CTest wheel C圖10 砂輪磨削端齒三維顯微圖Fig. 10 3D microscope of ground tool tips

2.3 PA1212增韌對PCB刀具刃口質量的影響

將不同砂輪磨削后的PCB刀具刃口在VHX-2000超景深三維顯微鏡下觀察，并在同倍率下標注磨削刃上的崩口，其結果如圖11所示。由圖11可知：樹脂金剛石砂輪磨削PCB刀具的崩口情況在結合劑體系中加入PA1212后得到改善，經過PA1212改性的金剛石砂輪在磨削刀具時已經能夠避免因為砂輪剛性振動而導致的崩口問題，崩口尺寸及數量隨著PA1212的含量增加而降低。

(a) 對比砂輪AComparison wheel A(b) 試驗砂輪CTest wheel C圖11 PCB刀具切削刃部崩口示意圖Fig. 11 Sketch of collapse at cutting edge of PCB tools

因PA1212具有良好的耐熱性且和聚酰亞胺樹脂具有優異的相容性，結合砂輪的掃描電鏡結果(圖5～圖8)可知：韌性填料PA1212能夠與樹脂結合劑形成完整、無相間界面的均勻體系，在增加樹脂結合劑金剛石砂輪自身韌性的同時，避免了傳統異相填料易產生的砂輪組織非均勻性抱團脫落問題，提高了砂輪的磨削均勻性，減少了非均勻磨削造成的崩刃概率。由于常規PCB刀具自身刃徑小，且刃部長徑比大，磨削時呈現懸臂梁支撐，金剛石砂輪韌性的提高大幅降低了磨削PCB刀具時對其刃部的沖擊力，有效規避了磨削PCB刀具崩刃出現的概率。

3 結論

(1)在樹脂結合劑金剛石砂輪中添加PA1212能夠有效提高砂輪的耐磨性和壽命，同時改善砂輪對PCB刀具的磨削質量、提高PCB刀具的成品率。PA1212在砂輪中的體積分數為10%時，砂輪的耐用度提升59.5%，壽命提升71.2%。

(2)添加體積分數15%及以上的PA1212樹脂粉雖然仍能保證金剛石砂輪在磨削過程中PCB刀具具有良好的磨削紋路，但是樹脂結合劑自身強度降低，導致結合劑對金剛石磨料的機械嵌合作用減弱，進而影響砂輪的耐用度和磨削壽命。

(3)在PCB刀具磨削用金剛石砂輪中添加PA1212樹脂粉，有效降低了PCB刀具的崩口概率和崩口尺寸。