On capillary impregnation in glass fabrics
Etude de l'imprégnation capillaire de tissus de verre
Résumé
Glass fabrics based prepregs are the main components of printed circuit boards. After impregnation by a polymeric resin, major defects concerning dielectric or mechanical properties of resulting boards can appear (striations, lack of resin, dryness, ....). Such defects are generally attributed to “bad wetting" of the fabric.
In order to determine if wettability is really responsible for these problems, we tried to characterise the thermodynamic surface properties of the fabric at both microscopic and macroscopic scales.
Microscopic scale characterisation allowed us to analyse the homogeneity of glass surface treatments and to identify or verify their chemical nature.
Macroscopic scale characterisation, based on capillary rise of liquids into the fabric, represented the main object of our work. The analysis is based on a modified Washburn model, well adapted for isotropic porous media. This basic model has been improved in order to take into account the specific aspects of glass fabric, like non-isotropy , existence of two populations of pores (macro- and micro-pores corresponding respectively to the space between glass yarns - made of hundreds of filaments - and the space between glass filaments), large exchange surface area (evaporation of the wetting liquid) and, finally, coupling of perpendicular yarns (double front of capillary progression).
At the end of this work, a method for the characterisation of glass fabrics has been proposed and validated. It leads to the determination of capillary radii into the porous structure as well as components of surface energy and acid/base character of glass surface. The control of such characteristics allows us to enhance our knowledge of the fabric/resin interface and the anticipation concerning the chemical compatibility between both materials.
In order to determine if wettability is really responsible for these problems, we tried to characterise the thermodynamic surface properties of the fabric at both microscopic and macroscopic scales.
Microscopic scale characterisation allowed us to analyse the homogeneity of glass surface treatments and to identify or verify their chemical nature.
Macroscopic scale characterisation, based on capillary rise of liquids into the fabric, represented the main object of our work. The analysis is based on a modified Washburn model, well adapted for isotropic porous media. This basic model has been improved in order to take into account the specific aspects of glass fabric, like non-isotropy , existence of two populations of pores (macro- and micro-pores corresponding respectively to the space between glass yarns - made of hundreds of filaments - and the space between glass filaments), large exchange surface area (evaporation of the wetting liquid) and, finally, coupling of perpendicular yarns (double front of capillary progression).
At the end of this work, a method for the characterisation of glass fabrics has been proposed and validated. It leads to the determination of capillary radii into the porous structure as well as components of surface energy and acid/base character of glass surface. The control of such characteristics allows us to enhance our knowledge of the fabric/resin interface and the anticipation concerning the chemical compatibility between both materials.
Les tissus de verre imprégnés d'une matrice de type époxyde constituent le matériau de base des circuits imprimés. Après imprégnation du tissu par la résine, des défauts (striations, absence locale de résine, dryness, ...), rédhibitoires pour la fiabilité diélectrique et structurale, peuvent être observés. Ces défauts sont attribués en général à un « mauvais mouillage » du tissu, sans que l'on sache précisément le définir.
La mouillabilité du tissu, au sens thermodynamique du terme, est-elle réellement en cause?
Pour apporter des éléments de réponse à cette question, nous avons cherché à caractériser les propriétés de surfaces des tissus aux échelles microscopique et macroscopique.
La caractérisation microscopique a permis d'apprécier l'homogénéité des traitements des tissus et d'identifier les fonctions chimiques présentes.
La caractérisation macroscopique, fondée sur le suivi de la progression capillaire dans un tissu, a représenté l'essentiel de ce travail. L'approche suivie repose sur une évolution du modèle de Washburn initialement adapté aux milieux poreux isotropes. Il a été complété pour prendre en compte les spécificités du milieu poreux hiérarchisé anisotrope qu'est le tissu de verre : existence de deux populations de canaux (macro- et micro-canaux correspondant respectivement à l'espace entre les fils et à l'espace entre les filaments), grande surface d'échange (rôle de l'évaporation du liquide imprégnant), couplages dans le mouillage des fils de directions orthogonales (existence d'un double front de progression capillaire).
A l'issue de ce travail, un protocole de caractérisation, permettant la mesure des rayons capillaires au sein des structures tissées, mais aussi de la composante dispersive de l'énergie de surface et du caractère acide/base des tissus de verre, a été défini et validé. La connaissance de ces caractéristiques, couplée à l'analyse des résines d'imprégnation, permet de progresser dans l'estimation de la compatibilité renfort/matrice.
La mouillabilité du tissu, au sens thermodynamique du terme, est-elle réellement en cause?
Pour apporter des éléments de réponse à cette question, nous avons cherché à caractériser les propriétés de surfaces des tissus aux échelles microscopique et macroscopique.
La caractérisation microscopique a permis d'apprécier l'homogénéité des traitements des tissus et d'identifier les fonctions chimiques présentes.
La caractérisation macroscopique, fondée sur le suivi de la progression capillaire dans un tissu, a représenté l'essentiel de ce travail. L'approche suivie repose sur une évolution du modèle de Washburn initialement adapté aux milieux poreux isotropes. Il a été complété pour prendre en compte les spécificités du milieu poreux hiérarchisé anisotrope qu'est le tissu de verre : existence de deux populations de canaux (macro- et micro-canaux correspondant respectivement à l'espace entre les fils et à l'espace entre les filaments), grande surface d'échange (rôle de l'évaporation du liquide imprégnant), couplages dans le mouillage des fils de directions orthogonales (existence d'un double front de progression capillaire).
A l'issue de ce travail, un protocole de caractérisation, permettant la mesure des rayons capillaires au sein des structures tissées, mais aussi de la composante dispersive de l'énergie de surface et du caractère acide/base des tissus de verre, a été défini et validé. La connaissance de ces caractéristiques, couplée à l'analyse des résines d'imprégnation, permet de progresser dans l'estimation de la compatibilité renfort/matrice.
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